Les scientifiques des matériaux du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont fait un pas de plus vers la compréhension de la dynamique d'interaction des défauts dans le carbure de silicium.

Lorsqu'une particule énergétique, tel qu'un neutron ou un ion, heurte un matériau, la particule pénètre et crée des déplacements par des processus balistiques consistant à éliminer les atomes du réseau de leurs positions d'équilibre. Ces atomes détruits ont souvent une énergie cinétique suffisamment élevée pour déplacer d'autres atomes voisins. Par conséquent, une cascade de déplacements atomiques est créée le long de la trajectoire des ions.

Des ions énergétiques de masses différentes créent des cascades de collisions avec des densités de déplacement différentes. Les ions lourds créent des cascades de collision denses, tandis que les cascades produites par les ions légers et les neutrons sont diluées avec des distances moyennes beaucoup plus grandes entre les déplacements au sein de chaque cascade.

De telles densités en cascade ne sont pas seulement une curiosité intellectuelle. Pour de nombreux matériaux non métalliques, la densité des cascades de collision détermine la facilité avec laquelle le matériau est endommagé sous irradiation. Cependant, les effets des densités de cascade de collisions sur la dynamique des défauts de rayonnement sont restés essentiellement inexplorés. La dynamique des défauts de rayonnement reste généralement l'une des plus complexes, des sujets mal compris et fortement débattus dans la communauté des dommages causés par les radiations.

Le carbure de silicium est utilisé pour alimenter les appareils électroniques, comme un transistor, fonctionnant à haute température et haute tension. Par ailleurs, le carbure de silicium a été étudié pour sa faisabilité en tant que gaine de combustible nucléaire.

Dans une étude publiée dans l'édition du 17 mars de Rapports scientifiques , une équipe du LLNL et de la Texas A&M University a utilisé une méthode de faisceau d'ions pulsés récemment développée pour étudier comment les dommages causés par les radiations dans le carbure de silicium sont influencés par la densité des cascades de collision. Le carbure de silicium est une céramique nucléaire et un matériau semi-conducteur à large bande interdite. L'équipe a systématiquement étudié la dynamique des défauts de rayonnement dans le carbure de silicium bombardé de différents ions qui créent des cascades de collisions avec des densités dans une large gamme. Les chercheurs ont utilisé des faisceaux d'ions pulsés pour mesurer la durée de vie des défauts mobiles et ont développé une nouvelle méthode pour calculer les densités en cascade.

L'équipe a découvert que des cascades de collisions plus denses créent non seulement plus de dégâts, mais évoluent également beaucoup plus lentement que les cascades diluées. Leur travail est la première démonstration que, en plus du débit de dose, la dynamique d'interaction des défauts dans le carbure de silicium dépend fortement de la densité de la cascade.

"Cette étude est un autre exemple de la façon dont le développement de nouvelles méthodes expérimentales peut nous aider à mieux comprendre les processus de base des dommages causés par les radiations, " a déclaré le scientifique du LLNL L. Bimo Bayu Aji, l'auteur principal de l'article.

"Ce travail montre que le carbure de silicium devrait s'endommager différemment dans des environnements de rayonnement caractérisés par des flux et des énergies de neutrons différents, et que toute modélisation véritablement prédictive des dommages causés par les rayonnements doit inclure la dynamique d'interaction des défauts, " a déclaré Sergueï Kucheyev, le chef de projet LLNL.