Estudios atomísticos de la respuesta a la irradiación de materiales ópticos con aplicación en plantas de fusión nuclear

Resumen

Esta tesis presenta un modelo atomístico basado en dinámica molecular clásica validado con datos experimentales que permite explicar los efectos de la irradiación iónica en régimen de frenado electrónico sobre diversos materiales: sílice amorfa, cuarzo y nanopartículas de plata embebidas en sílice. Estos materiales encuentran aplicación en las ópticas finales de plantas de fusión láser, así como en otros componentes ópticos tanto en fusión láser como magnética. Además, otras aplicaciones en el campo de la fotónica resultan beneficiadas por este trabajo, por ejemplo en lo referente a modificación de nanopartículas plasmónicas mediante irradiación iónica. Los datos experimentales utilizados en esta tesis provienen en parte de la Literatura y en parte de campañas de irradiación llevadas a cabo en colaboración con nuestros colegas del Centro de Micro-Análisis de Materiales (UAM). Las técnicas más apropiadas y, por tanto, más usadas para estudiar los efectos de la irradiación en estos materiales se basan en medidas ópticas tanto en reflexión, para obtener las variaciones en el índice de refracción, como en transmisión para estimar la producción de centros de color en sílice o la variación de la resonancia de plasmón en el caso de nanopartículas de plata. En el caso del cuarzo se ha realizado, además, análisis con haz de iones en configuración canalizada. Muchas de las medidas se han llevado a cabo in situ lo que ha proporcionado información de los sistemas bajo irradiación con un nivel de detalle sin precedentes. Las simulaciones de dinámica molecular se realizaron con los códigos MDCASK y LAMMPS. El código MDCASK fue modificado para incluir el modelo del cilindro caliente con inclinación variable (para simular trazas iónicas), el potencial BKS con la modificación para interacciones de corto alcance, la combinación de potenciales para las interacciones de la sílice, la plata y la plata-sílice y el término de fricción de Langevin. En el código LAMMPS se añadió al potencial BKS la modificación para interacciones de corto alcance. El modelo atomístico fue validado comparando los cambios en volumen y superficie inducidos por la irradiación iónica en régimen de frenado electrónico con resultados experimentales. El potencial BKS modificado se validó estudiando los cambios incluidos en cuarzo α con medidas ópticas in situ. Por último, la combinación de potenciales se utilizó para estudiar las modificaciones inducidas en nanopartículas de plata embebidas en sílice. Estos resultados se validaron con medidas in situ de la resonancia del plasmón. El modelo reproduce el efecto velocidad, el umbral para generación de trazas, la estructura de la traza resultante, así como los efectos superficiales (emisión atómica, cambios de morfología superficial). Además, predice la generación y aniquilación de defectos. La aplicación del modelo a sílice y cuarzo permite entender las sutiles diferencias apreciadas por las técnicas de medida en material amorfo y cristalino. Por otro lado, nos ha permitido obtener con un alto grado de detalle la elongación de nanopartículas de plata embebidas en sílice por efecto de la irradiación iónica, el cual, es un proceso complejo donde compite la elongación causada por un impacto individual, la difusión y la maduración de Ostwald. Por último, hemos podido analizar el fenómeno de acumulación de trazas y el efecto independiente de un único impacto. Evidentemente, la dinámica molecular clásica no es capaz de reproducir la evolución del sistema electrónico una vez excitado por un ion incidente y la subsiguiente transferencia de energía a la red. Sin embargo, se puede asumir que tal transferencia de energía es muy rápida y seguir la posterior evolución del sistema atómico mediante nuestras simulaciones. Los resultados, en buen acuerdo con los experimentos, indican que los iones en régimen de frenado electrónico generan trazas iónicas permanentes (de radio nanométrico y longitud micrométrica) con propiedades físico-químicas claramente modificadas respecto al material virgen. El hecho de que mediante dinámica molecular clásica seamos capaces de reproducir cuantitativamente los experimentos es un indicativo de que los principales procesos involucrados en la generación de trazas están relacionados con la evolución de la red atómica. Más allá de reproducir los resultados experimentales, la principal contribución del modelo atomístico es que ayuda a entender los mecanismos físicos responsables de la evolución del sistema irradiado. Así, hemos identificado tres mecanismos principales asociados a la transferencia de energía del ion en régimen de frenado electrónico. Primero, un efecto colectivo de átomos como consecuencia de la ganancia de energía cinética, seguido de un enfriamiento ultra-rápido debido a la transferencia de energía hacia los alrededores de la traza (zona fría masiva). Esto da lugar a cambios de densidad y ruptura de enlaces con producción de defectos. La red no puede reconstruirse completamente debido al ultra-rápido enfriamiento por lo que aparece la traza permanente. Segundo, los átomos con alta energía cinética más cercanos a las superficies logran escapar dando lugar a un mecanismo de eyección de átomos superficiales (sputtering electrónico) mucho más eficaz que los mecanismos tradicionales basados en colisiones elásticas (sputtering físico). Tercero, en la zona superficial aparece un mecanismo de fluencia que produce la acumulación de átomos alrededor de la zona de eyección, dando lugar a la aparición de nanocráteres.