Comptes Rendus
no. 3-4
The non-Arrhenius migration of interstitial defects in bcc transition metals
[Migration de type non-Arrhenius des défauts interstitiels dans les métaux de transition de structure cubique centrée]
Sergei L. Dudarev1, 2 
1 EURATOM/UKAEA Fusion Association, Culham Science Centre, Oxfordshire OX14 3DB, UK
2 Department of Physics, Imperial College, Exhibition Road, London SW7 2AZ, UK
Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 3-4, pp. 409-417.

La migration thermiquement activée des défauts ponctuels contrôle l'évolution de la microstructure des matériaux sous irradiation. Pour la migration des lacunes la valeur de l'énergie d'activation équivaut généralement à plusieurs fois la température absolue, et, la dépendance thermique du coefficient de diffusion est bien décrite par une loi de type Arrhenius. Cependant l'énergie d'activation de la migration des auto-interstitiels isolés ou sous forme de boucle est très faible. Dans ce cas la trajectoire d'un défaut effectuant un mouvement brownien à la température ambiante ou au-dessus ne suit pas une diffusion de type Arrhenius, c'est-à-dire des sauts peu fréquents séparés par des durées relativement longues pendant lesquelles le défaut réside dans un site déterminé du cristal. Ce papier fait la revue des simulations atomiques récentes de la migration d'auto-interstitiels isolés ou sous forme de boucle, et, rationalise les résultats de ces simulations sur la base des solutions du modèle « multi-corde » de Frenkel–Kontorova. L'approche développée dans ce papier montre que l'origine de la migration de type non-Arrhenius d'auto-interstitiels ou de boucles d'interstitiels est à associer à l'interaction du défaut considéré avec le champ classique des phonons d'origine thermique.

Thermally activated migration of defects drives microstructural evolution of materials under irradiation. In the case of vacancies, the activation energy for migration is many times the absolute temperature, and the dependence of the diffusion coefficient on temperature is well approximated by the Arrhenius law. On the other hand the activation energy for the migration of self-interstitial defects, and particularly self-interstitial atom clusters, is very low. In this case a trajectory of a defect performing Brownian motion at or above room temperature does not follow the Arrhenius-like pattern of migration involving infrequent hops separated by the relatively long intervals of time during which a defect resides at a certain point in the crystal lattice. This article reviews recent atomistic simulations of migration of individual interstitial defects, as well as clusters of interstitial defects, and rationalizes the results of simulations on the basis of solutions of the multistring Frenkel–Kontorova model. The treatment developed in the paper shows that the origin of the non-Arrhenius migration of interstitial defects and interstitial defect clusters is associated with the interaction between a defect and the classical field of thermal phonons.

Publié le :
DOI : 10.1016/j.crhy.2007.09.019
Keywords: Neutron irradiation, Interstitial defect, Transition metal
Mot clés : Irradiation par neutrons, Défaut interstitiel, Métal de transition
Sergei L. Dudarev 1, 2

1 EURATOM/UKAEA Fusion Association, Culham Science Centre, Oxfordshire OX14 3DB, UK
2 Department of Physics, Imperial College, Exhibition Road, London SW7 2AZ, UK 
@article{CRPHYS_2008__9_3-4_409_0,
     author = {Sergei L. Dudarev},
     title = {The {non-Arrhenius} migration of interstitial defects in bcc transition metals},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {409--417},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {9},
     number = {3-4},
     year = {2008},
     doi = {10.1016/j.crhy.2007.09.019},
     language = {en},
}
TY  - JOUR
AU  - Sergei L. Dudarev
TI  - The non-Arrhenius migration of interstitial defects in bcc transition metals
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2008
SP  - 409
EP  - 417
VL  - 9
IS  - 3-4
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2007.09.019
LA  - en
ID  - CRPHYS_2008__9_3-4_409_0
ER  - 
%0 Journal Article
%A Sergei L. Dudarev
%T The non-Arrhenius migration of interstitial defects in bcc transition metals
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2008
%P 409-417
%V 9
%N 3-4
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2007.09.019
%G en
%F CRPHYS_2008__9_3-4_409_0
Sergei L. Dudarev. The non-Arrhenius migration of interstitial defects in bcc transition metals. Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 3-4, pp. 409-417. doi : 10.1016/j.crhy.2007.09.019. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2007.09.019/

[1] G.H. Vineyard J. Phys. Chem. Sol., 3 (1957), p. 121

[2] R. Landauer; J.A. Swanson Phys. Rev., 121 (1961), p. 1668

[3] P. Hänggi; P. Talkner; M. Borcovec Rev. Mod. Phys., 62 (1990), p. 251

[4] D. Nguyen-Manh; A.P. Horsfield; S.L. Dudarev Phys. Rev. B, 73 (2006), p. 020101 (R)

[5] C. Domain; C.S. Becquart Phys. Rev. B, 65 (2001), p. 024103

[6] F. Willaime; A. Satta; M. Nastar; O. Le Bacq Int. J. Quant. Chem., 77 (2000), p. 927

[7] C.C. Fu; F. Willaime; P. Ordejón Phys. Rev. Lett., 92 (2004), p. 175503

[8] Atomic Defects in Metals (H. Ullmaier, ed.), Landolt–Börstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III, vol. 25, Springer-Verlag, Berlin, 1991

[9] S. Han; L.A. Zepeda-Ruiz; G.J. Ackland; R. Car; D.J. Srolovitz Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 220101

[10] P.M. Derlet; D. Nguyen-Manh; S.L. Dudarev Phys. Rev. B, 76 (2007), p. 054107

[11] B.D. Wirth; G.R. Odette; D. Maroudas; G.E. Lucas; B.D. Wirth; G.R. Odette; D. Maroudas; G.E. Lucas J. Nucl. Mater., 244 (1997), p. 185

[12] Yu.N. Osetsky; D.J. Bacon; A. Serra; B.N. Singh; S.I. Golubov; Yu.N. Osetsky; D.J. Bacon; A. Serra; B.N. Singh; S.I. Golubov Philos. Mag., 276 (2000), p. 65

[13] M.J. Caturla; N. Soneda; E. Alonso; B.D. Wirth; T. Diaz de la Rubia; J.M. Perlado J. Nucl. Mater., 276 (2000), p. 13

[14] N. Soneda; T. Diaz de la Rubia Philos. Mag. A, 81 (2001), p. 331

[15] J. Marian; B.D. Wirth; J.M. Perlado; G.R. Odette; T. Diaz de la Rubia Phys. Rev. B, 64 (2001), p. 094303

[16] T.S. Hudson; S.L. Dudarev; M.-J. Caturla; A.P. Sutton Philos. Mag., 85 (2005), p. 661

[17] S.L. Dudarev Philos. Mag., 83 (2003), p. 3577

[18] S. Chandrasekhar Rev. Mod. Phys., 15 (1943), p. 1

[19] V.I. Melnikov; S.V. Meshkov J. Chem. Phys., 85 (1986), p. 1018

[20] V.I. Melnikov Phys. Rep., 209 (1991), p. 1

[21] A.M. Kossevich The Crystal Lattice, Wiley–VCH, Berlin, 1999

[22] O.M. Braun; Yu.S. Kivshar Phys. Rep., 306 (1998), p. 1

[23] S.L. Dudarev; P.M. Derlet; C.H. Woo Nucl. Instrum. Methods B, 256 (2007), p. 253

[24] W. Marshall; S.W. Lovesey Theory of Thermal Neutron Scattering, Oxford University Press, Oxford, England, 1971

[25] M.W. Guinan; R.N. Stuart; R.J. Borg Phys. Rev. B, 15 (1977), p. 699

[26] L.A. Zepeda-Ruiz; J. Röttler; B.D. Wirth; R. Car; D. Srolovitz Acta Mater., 53 (2005), p. 1985

[27] M. Hiratani; E.M. Nadgorny Acta Mater., 49 (2001), p. 4337

[28] T.S. Hudson; S.L. Dudarev; A.P. Sutton Proc. Roy. Soc. London A, 460 (2004), p. 2457

[29] D. Terentyev; L. Malerba; A.V. Barashev Philos. Mag. Lett., 85 (2005), p. 587

[30] P. Olsson; C. Domain; J. Wallenius Phys. Rev. B, 75 (2007), p. 014110

[31] M. Nastar C.R. Physique, 9 (2008) no. 3–4, p. 362

Cité par Sources :

Commentaires - Politique

Ces articles pourraient vous intéresser

Interatomic potentials for simulating radiation damage effects in metals

Kai Nordlund; Sergei L. Dudarev

C. R. Phys (2008)

Helium and point defect accumulation: (i) microstructure and mechanical behaviour

Robin Schäublin; Jean Henry; Yong Dai

C. R. Phys (2008)

First principles calculations in iron: structure and mobility of defect clusters and defect complexes for kinetic modelling

Chu Chun Fu; F. Willaime

C. R. Phys (2008)