SiC 방사선 손상: 나노 스케일 변형 및 결정립계 역할

탄화규소(SiC)의 방사선 유도 변형을 이해하는 것은 내방사선 세라믹 소재 설계를 위해 필수적입니다. 기존 방법으로는 다결정 SiC의 나노 스케일 변형 구배를 파악하기 어려웠습니다. 본 연구에서는 헬륨 및 수소 이온 조사된 단결정 4H-SiC와 다결정 α-SiC에서 나노빔 정밀 전자 회절(N-PED)을 활용하여 고해상도 다방향 변형 매핑을 수행했습니다. N-PED 결과는 헬륨 및 수소 이온 조사된 단결정 4H-SiC의 고해상도 X선 회절(HR-XRD) 시뮬레이션과 일치하여 N-PED 방법의 신뢰성을 입증했습니다. 고온에서 헬륨 조사된 다결정 α-SiC에서는 결정립계(GB) 근처의 기포 고갈 영역(BDZ)이 관찰되었는데, 이는 결정립계가 방사선 유도 결함의 활성 흡수원 역할을 함을 시사합니다. N-PED는 결정립계에서 최대 약 2.5%의 변형 증폭과 BDZ 내의 변형 완화를 보여주었습니다. 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, Si, C, He 원자가 결정립계 핵으로 강하게 편석되는 경향이 있으며, 이는 헬륨 원자를 수용할 공공의 가용성을 감소시켜 결정립계 근처의 국부적 변형 완화를 유발합니다. 또한, 제일원리 인장 시뮬레이션은 Si 및 C 격자간 원자가 헬륨 유도 결정립계 취성을 완화함을 밝혔습니다. 전하 밀도 및 DOS 분석은 이러한 효과가 결정립계에서 점 결함과 주변 원자 간의 결합 특성과 관련이 있음을 보여줍니다. 이러한 발견은 핵 및 우주 응용 분야에서 SiC의 내방사선성을 향상시키기 위한 결정립계 공학의 중요성을 강조합니다.