The Modelling of Radiation Damage in Metals Using Ehrenfest Dynamics

شبیه‌سازی‌های اتمی فلزات تحت تابش برای درک فرآیندهای آسیب در مقیاس‌های زمانی و طولی فراتر از دسترس آزمایش ضروری هستند. پیش از این، چنین شبیه‌سازی‌هایی تا حد زیادی اثر تحریک‌های الکترونیکی بر دینامیک اتمی را نادیده می‌گرفتند، حتی اگر تبادل انرژی بین اتم‌ها و الکترون‌ها می‌تواند اثرات قابل‌توجهی بر میزان و ماهیت آسیب تشعشع داشته باشد. این پایان‌نامه نتایج شبیه‌سازی‌های اتصال محکم وابسته به زمان آسیب تشعشع را ارائه می‌کند که در آن تکامل یک سیستم جفت شده از یون‌های کلاسیک پرانرژی و الکترون‌های مکانیکی کوانتومی به درستی توصیف شده است. اثرات تحریکات الکترونیکی در آبشارهای برخورد و کانال‌کشی یونی بررسی شده و مدل جدیدی ارائه می‌شود که بازتولید دقیق نیروهای الکترونیکی غیرآدیاباتیک را در شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی کلاسیک در مقیاس بزرگ فلزات ممکن می‌سازد.

Atomistic simulations of metals under irradiation are indispensable for understanding damage processes at time- and length-scales beyond the reach of experiment. Previously, such simulations have largely ignored the effect of electronic excitations on the atomic dynamics, even though energy exchange between atoms and electrons can have significant effects on the extent and nature of radiation damage. This thesis presents the results of time-dependent tight-binding simulations of radiation damage, in which the evolution of a coupled system of energetic classical ions and quantum mechanical electrons is correctly described. The effects of electronic excitations in collision cascades and ion channelling are explored and a new model is presented, which makes possible the accurate reproduction of non-adiabatic electronic forces in large-scale classical molecular dynamics simulations of metals.