SAXS investigations of the morphology of swift heavy ion tracks in α-quartz

Abstract

The morphology of swift heavy ion tracks in crystalline α-quartz was investigated using small angle x-ray scattering (SAXS), molecular dynamics (MD) simulations and transmission electron microscopy. Tracks were generated by irradiation with heavy ions with energies between 27 MeV and 2.2 GeV. The analysis of the SAXS data indicates a density change of the tracks of ~2 ± 1% compared to the surrounding quartz matrix for all irradiation conditions. The track radii only show a weak dependence on the electronic energy loss at values above 17 keV nm(-1), in contrast to values previously reported from Rutherford backscattering spectrometry measurements and expectations from the inelastic thermal spike model. The MD simulations are in good agreement at low energy losses, yet predict larger radii than SAXS at high ion energies. The observed discrepancies are discussed with respect to the formation of a defective halo around an amorphous track core, the existence of high stresses and/or the possible presence of a boiling phase in quartz predicted by the inelastic thermal spike model.

SAXS study on the morphology of etched and un-etched ion tracks in apatite

“…The solid lines in figure 2 represent the analytical fits to this model. A more detailed description of the model can be found in elsewhere [13,14]. From the fits in figure 2, the average latent track radius measured by SAXS for Durango apatite irradiated with 2.3 GeV Bi ions is 5.00±0.08 nm which consistent with the previous studies for apatite [15,16].…”

The influence of the electronic specific heat on swift heavy ion irradiation simulations of silicon

“…For all stopping powers tested the number of defects and the resulting track radii calculated using C e (T e ) from the free electron gas model are substantially greater than when using C e (T e ) determined via DFT. Figure 6b suggests that when DFT is used to parameterise the specific heat, the change in the track radius as a function of stopping power reproduces the relationship observed in experimental studies of other semiconductors [5,6,7] and insulators [1,2,3]. The free electron model, on the other hand, shows a linear relationship between track radius and electronic stopping power.…”

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

“…Poder de frenado electrónico, S e (keV/nm) Figura 5.4: Sección eficaz de la traza como función del poder de frenado electrónico para los resultados experimentales (símbolos sólidos) de la irradiación con Br y F obtenidos con técnicas ópticas de reflexión in situ 129 y RBS-c, además de otras publicadas en Literatura y obtenidas con RBS-c 68,102 y SAXS. 68 La energía específica del ion incidente en MeV/u se da entre paréntesis. Las secciones eficaces obtenidas con dinámica molecular (símbolos abiertos) con un radio del cilindro caliente a = 3.5 nm se han calculado con ayuda del código Ovito (azul) teniendo en cuenta toda la región afectada por el paso del ion y mediante el cálculo de la variación de densidad (rojo).…”

“…58 Recientemente, hay bastantes trabajos que reportan el uso de iones pesados de alta energía para elongar nanopartículas de plata, 59,60 oro, [61][62][63][64] zinc, 65,66 y níquel. 67 Desafortunadamente, la física que explica la transformación de esfera a rodillo no ha sido completamente entendida, incluso si ha sido ampliamente estudiada 68,69,226 y se han propuesto algunos modelos fenomenológicos. 70,71 Una de las principales causas de este desconocimiento es la falta de información durante los estados intermedios de deformación.…”

“…Existen diversos modelos teóricos que explican el proceso de elongación; pero les falta una validación experimental y una visión detallada de los cambios. [68][69][70][71] En esta tesis se ha desarrollado un modelo atomístico capaz de analizar la elongación de las nanopartículas causadas por la irradiación iónica en régimen de frenado electrónico en bajas fluencias. Además, se ha llevado a cabo una campaña experimental en la cual se ha analizado detalladamente la evolución de estas nanopartículas desde bajas a altas fluencias.…”