Modelización de la evolución de efectos en Al_2O_3 bajo irradiación (Modeling of defect evolution in Al_2O_3 under irradiation)

Abstract

En el presente trabajo se ha realizado un estudio de la difusión de los defectos generados en Al_2O_3 bajo irradiación mediante simulaciones. Este material aislante se considera un buen candidato como parte funcional en los futuros reactores de fusión debido a sus diferentes propiedades. El trabajo se centra principalmente en la evolución de las vacantes de oxígeno neutras (conocidas como centros F), así como sus correspondientes con carga neta positiva (conocidas como centros F+), con y sin presencia de campo eléctrico. Para llevar a cabo este trabajo, nos hemos basado en la teoría cinética de las reacciones que permite desarrollar modelos de difusión que han resultado ser muy eficientes desde el punto de vista numérico. Debido a que estos modelos necesitan parámetros de entrada, como por ejemplo la energía de formación de los defectos, de manera complementaria se han realizado cálculos ab-initio basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT por sus siglas en inglés, Density Functional Theory) con el objetivo de hallar las energías de formación de los defectos considerados. Se ha comparado la evolución temporal de estos defectos en un ancho rango de temperaturas (50-300ºC) y, siempre que ha sido posible, se han comparado los resultados de simulación obtenidos con los datos experimentales disponibles. [ABSTRACT] In the present work we have developed a diffusion model to investigate the evolution of defects in Al_2O_3 under irradiation, insulator material which is a candidate to be used as a functional part in the future fusion reactors. The work is mainly dedicated to neutral oxygen vacancies (the so called F centers), and also to the corresponding positive charged ones (F+ centers). We compare the time evolution of these defects under irradiation with experimental data in a wide range of temperatures (from 50ºC to 300ºC) with and without electrical field. The developed model is based on the socalled kinetic theory of reactions which has shown to be very efficient for the numerical simulation of diffusion phenomena. This methodology can be used to design a set of coupled partial differential equations from some assumptions about possible reactions between intrinsic point defects and impurities, if present. Some of the input parameters of the model, such as the formation energy of some defects, were not known and had to be calculated ab initio. To do so, we used the well-known Density Functional Theory, in particular to calculate the formation energy of F-related defects.When it was possible, we compared our theoretical results with experimental data available.