Vacancy effects on one-dimensional migration of interstitial clusters in iron under electron irradiation at low temperatures

低温電子照射下での純鉄における格子間原子集合体の一次元運動に及ぼす空孔の影響

佐藤 裕樹*; 阿部 陽介  ; 阿部 弘亨*; 松川 義孝*; 叶野 翔*; 大貫 惣明*; 橋本 直幸*

Sato, Yuki*; Abe, Yosuke; Abe, Hiroaki*; Matsukawa, Yoshitaka*; Kano, Sho*; Onuki, Somei*; Hashimoto, Naoyuki*

超高圧電子顕微鏡を用いることにより、110300Kの温度範囲で純鉄における格子間原子集合体の一次元(1D)運動の電子照射その場観察を行った。全ての温度において、ほとんどの1D運動は不規則な時間間隔で離散的な位置変化を示した。1D運度頻度は温度に依存せず、電子照射強度に比例した。これは、1D運動が電子照射により生じることを示唆している。一方、1D運動距離は照射強度に依存せず、低温では1D運動距離が極めて短くなることが明らかとなった。さらに、分子静力学法を用いて、格子間原子集合体とランダム分布した空孔との相互作用エネルギーを評価した結果、空孔濃度がよりも高い場合には相互作用エネルギーのゆらぎが格子間原子集合体をトラップすることが分かった。これらの結果から、1D運動の阻害に寄与するのは、250K以上では残存不純物であり、空孔が熱的に移動できない低温では、電子照射により蓄積した高濃度空孔との弾性的相互作用であることを提案した。

We performed in situ observation of one-dimensional (1D) migration of self-interstitial atom (SIA) clusters in iron under electron irradiation at 110-300 K using high-voltage electron microscopy. Most 1D migration was stepwise positional changes of SIA clusters at irregular time intervals at all temperatures. The frequency of 1D migration did not depend on the irradiation temperature. It was directly proportional to the damage rate, suggesting that 1D migration was induced by electron irradiation. In contrast, the 1D migration distance depended on the temperature: distribution of the distance ranged over 100 nm above 250 K, decreased steeply between 250 and 150 K and was less than 20 nm below 150 K. The distance was independent of the damage rate at all temperatures. Next, we examined fluctuation in the interaction energy between an SIA cluster and vacancies of random distribution at concentrations -, using molecular statics simulations. The fluctuation was found to trap SIA clusters of 4 nm diameter at vacancy concentrations higher than . We proposed that 1D migration was interrupted by impurity atoms at temperatures higher than 250 K, and by vacancies accumulated at high concentration under electron irradiation at low temperatures where vacancies are not thermally mobile.