Siliconization of the tokamak walls is a candidate method to improve plasma confinement in fusion tokamaks containing tungsten plasma facing components (W PFCs). To understand the interactions of silicon (Si) with W, the Si behavior in bulk W, and near three low-index W surfaces ((100), (110) and (111)) has been investigated using first-principles density functional theory. In bulk W, Si interstitial atoms have a low solution ability and high mobility, and Si atoms can be strongly trapped by W vacancies. The interaction between two Si adatoms is responsible for the stability of adatom superstructures on W surfaces, consistent with previous experimental observation (Tsong and Casanova 1981 Phys. Rev. Lett.47 113). Although the coverage dependence of Si adsorption and diffusion energetics on surfaces is related to surface orientation, the W(110) surface has lower Si adsorption affinity and higher Si diffusivity than either the W(111) or W(100) surfaces. The most stable Si adatom superstructure on W surfaces is: square c(2 × 2) pattern on W(100) covered with 0.5 ML Si; rectangular c(4 × 2) pattern on W(110) with 0.25 ML Si; and rhombus p(1 × 1) pattern on W(111) with 1 ML Si. The coverage dependence of Si mobility on/toward W surfaces is generally related to the stability of the Si superstructures as a function of coverage on each surface. Interestingly, Si adatoms prefer to transport below the surface and into W subsurface by an exchange mechanism with W atoms, indicating the likelihood of epitaxial growth of W silicide layers on W surfaces during the operation of W PFCs.
トカマク壁のシリコン化は、タングステン製プラズマ対向機器(W PFCs)を含む核融合トカマクにおいてプラズマ閉じ込めを改善するための候補手法である。タングステン(W)とのシリコン(Si)の相互作用を理解するため、バルクW中でのSi挙動、および3つの低指数W表面((100),(110),(111))近傍でのSi挙動を、第一原理密度汎関数理論を用いて調査した。バルクW中では、Si格子間原子は低い固溶能と高い移動度を有し、Si原子はW空孔に強くトラップされ得る。2つのSi吸着原子間の相互作用がW表面上の吸着原子超構造の安定性に関与しており、これは以前の実験観測(Tsong and Casanova 1981 Phys. Rev. Lett.47 113)と一致する。表面上でのSi吸着・拡散のエネルギー論の被覆率依存性は表面配向に関連するが、W(110)表面はW(111)またはW(100)表面よりも低いSi吸着親和性と高いSi拡散性を有する。W表面上の最も安定なSi吸着原子超構造は、0.5 ML Siで覆われたW(100)上では正方形c(2×2)パターン、0.25 ML SiのW(110)上では長方形c(4×2)パターン、1 ML SiのW(111)上では菱形p(1×1)パターンである。W表面上/表面へのSi移動度の被覆率依存性は、一般に、各表面上での被覆率の関数としてのSi超構造の安定性に関連する。興味深いことに、Si吸着原子はW原子との交換機構によって表面下およびW亜表面へ輸送されることを好み、これはW PFCsの運転中におけるW表面上へのWシリサイド層のエピタキシャル成長の可能性を示している。