journal article·2022-03-16

Interface-Driven Strain in Heavy Ion-Irradiated Zr/Nb Nanoscale Metallic Multilayers: Validation of Distortion Modeling via Local Strain Mapping

Huseyin Sener Sen, Nabil Daghbouj, Mauro Callisti, Marek Vronka, Miroslav Karlík, Jan Duchoň, Jaroslav Čech, Jan Lorinčík, Vladimir Havránek, Petr Bábor, Tomas Polcar

ACS Applied Materials & Interfaces· Volume 14· Issue 10
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Abstract

Nanolayered metallic alloys are promising materials for nuclear applications thanks to their resistance to radiation damage. Here, we investigate the effect of ion (C, Si, and Cu) irradiation at room temperature with different fluences into sputtered Zr/Nb metallic multilayer films with periods 27 nm (thin) and 96 nm (thick). After irradiation, while a high strain in the entire thin nanoscale metallic multilayer (NMM) is observed, a quite small strain in the entire thick NMM is established. This difference is further analyzed by a semianalytical model, and the reasons behind it are revealed, which are also validated by local strain mapping. Both methods show that within a thick layer, two opposite distortions occur, making the overall strain small, whereas in a thin layer, all the atomic planes are affected by the interface and are subjected to only a single type of distortion (Nb─tension and Zr─compression). In both thin and thick NMMs, with increasing damage, the strain around the interface increases, resulting in a release of the elastic energy at the interface (decrease in the lattice mismatch), and the radiation-induced transition of the Zr/Nb interfaces from incoherent to partially coherent occurs. Density functional theory simulations decipher that the inequality of point defect diffusion flux from the inner to the interface-affected region is responsible for the presence of opposite distortions within a layer. Technologically, based on this work, we estimated that Zr/Nb55 with thicknesses around Zr = 24 nm and Nb = 31 nm is the most promising multilayer system with the high radiation damage resistance and minimum swelling for nuclear applications.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Fusion materials and technologies · Nuclear Materials and Properties · Microstructure and mechanical properties

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Control Engineering, Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University in Prague, Technická 2, 160 00 Prague 6, Czechia

Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, 27 Charles Babbage Road, Cambridge CB3 0FS, United Kingdom

Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Na Slovance 1999/2, 182 21 Prague 8, Czechia

Department of Materials, Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Trojanova 13, 120 00 Prague 2, Czechia

Department of Physics of Materials, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Ke Karlovu 5, 121 16 Prague 2, Czechia

Research Centre Rez, 250 68 Husinec-Řež, Czechia

Nuclear Physics Institute of the Czech Academy of Sciences, 250 68 Husinec-Řež, Czechia

CEITEC─Central European Institute of Technology, Brno University of Technology, 616 00 Brno, Czechia

Funding

European Regional Development Fund · Ministerstvo ?kolstv?, Ml?de?e a Telov?chovy · Grantov? Agentura Cesk? Republiky · Innovate UK

References (100+)

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