Nanostructuring of material surfaces by fast heavy ions/Structural effects of high-energy ion irradiation in a partially stabilized zirconium dioxide

29.05.2025 – FLNR Scientific Seminar, 15-30, FlerovLab Conference Hall

Rymzhanov R., FLNR, JINR

Nanostructuring of material surfaces by fast heavy ions
(in connection with the election for the position of s.r.s.)

Nanostructuring of the surface of nuclear power engineering and electronics materials irradiated with fast heavy ions using multiscale modelling and experimental methods have been studied in this work. Practical and fundamental interest in irradiation effects on the surface is due to the fact that the excitation kinetics of the target boundary areas differs significantly from the processes in massive samples because of possible particle exchange with the environment. The mechanisms of formation on the surface of amorphizable and non-amorphizable dielectrics of various nanostructures: spherical crystalline protrusions, amorphous hemispherical hillocks, conical tracks in the near-surface area, extended structures under irradiation at sliding angles, through nanocnannels were studied. It was shown that the impact of heavy ions on dielectric nanocrystalls significantly changes their shape due to erosion processes at the edges at low fluences and nanoparticle melting at high irradiation doses.

Рымжанов Р.
(в связи с выборами на должность с.н.с.)

Наноструктурирование поверхности материалов быстрыми тяжелыми ионами

В работе исследовалось наноструктурирование поверхности материалов ядерной энергетики и электроники при облучении быстрыми тяжелыми ионами с использованием мультимасштабного моделирования и экспериментальных методов. Практический и фундаментальный интерес к радиационным эффектам на поверхности обусловлен тем, что кинетика возбуждения приграничных областей мишени значительно отличается от процессов в массивных образцах из-за возможного обмена частицами с окружающей средой. Изучены механизмы формирования на поверхности аморфизуемых и неаморфизуемых диэлектриков различных наноструктур: сферических кристаллических выступов, аморфных полусферических хиллоков, конических треков в приповерхностной области, протяженных структур при облучении под скользящими углами, сквозных наноканалов. Показано, что воздействие тяжелых ионов на нанокристаллы диэлектриков значительно меняет их форму за счет процессов эрозии на краях при малых флюенсах и плавления наночастиц при высоких дозах облучения.

Kirilkin N.S., FLNR, JINR

Structural effects of high-energy ion irradiation in a partially stabilized zirconium dioxide
(in connection with the election for the position of j.r.s.)

ZrO2-based materials are widely used in many fields of science and technology. High radiation resistance, infusibility, low thermal conductivity, high chemical resistance and mechanical strength are characteristic peculiarities of these ceramics. One of the possible applications of zirconium dioxide is its use as an inert matrix for nuclear fuel and also as a matrix suitable for a long-term storage of high active waste and their transmutations. In addition it’s proposed to use partially stabilised zirconium dioxide as an additive to the matrix of accident tolerant nuclear fuel. The effect of irradiation with high-energy 167 MeV Xe ions and 710 MeV Bi ions on ZrO2–3mol.%Y2O3 polycrystals is being considered in this work. In the initial state the phase composition is represented by a tetragonal t-phase with the crystal lattice parameters a = 3.607Å and с = 5.175Å. On irradiation with fast heavy ions the metastable tetragonal t” (с/af = 1, where af =a/) phase is formed, the proportion of which increases with the increase of radiation dose. At the same time the amorphization is not observed even at the highest fluences. Electron-microscopic studies have shown that the effect of fast heavy ions results in the formation of specific radiation damages – latent tracks. It has been determined that the metastable tetragonal t” phase has greater radiation resistance compared to the t phase.

Кирилкин Н. С.
(в связи с выборами на должность м.н.с.)

Структурные эффекты высокоэнергетического ионного облучения в частично стабилизированном диоксиде циркония

Материалы на основе ZrO2 находят широкое применение во многих областях науки и техники. Характерными особенностями этих керамиков являются высокая радиационная стойкость, тугоплавкость, низкая теплопроводность, высокая химическая стойкость и механическая прочность. Одним из возможных применений диоксида циркония является использование его в качестве инертной матрицы для ядерного топлива, а также в качестве матрицы, подходящей для долговременного хранения высокоактивных отходов и их трансмутаций. Помимо этого, предлагается использовать частично стабилизированный диоксид циркония в качестве добавки в матрицу ядерного топлива устойчивого к аварийным ситуациям (от англ. accident tolerant fuel). В рамках данной работы рассматривается влияние облучения высокоэнергетичными ионами Xe с энергией 167 МэВ и ионами Bi с энергией 710 МэВ на поликристаллы ZrO2–3мол.%Y2O3. В исходном состоянии фазовый состав представлен тетрагональной t-фазой с параметрами кристаллической решетки a = 3.607Å и с = 5.175Å. При облучении быстрыми тяжелыми ионами происходит образование метастабильной тетрагональной фазы t” (с/af = 1, где af =a/), доля которой растет по мере увеличения дозы облучения. При этом, аморфизация не наблюдается даже при самых высоких флюенсах. Электронно-микроскопические исследования показали, что воздействие быстрых тяжелых ионов приводит к образованию специфических радиационных повреждений – латентных треков. Установлено, что метастабильная тетрагональная фаза t” обладает большей радиационной стойкостью по сравнению с t фазой.