Fuzz formation in plasma-facing materials remains insufficiently understood. We correlate subsurface helium-bubble evolution with surface morphological transitions in tungsten–rhenium (25 atomic %) exposed to high-flux, 90 eV He plasma at ∼1173 K. Microstructural characterization reveals three sequential surface stages—incubation (ridges), nucleation (bundles of nanocrystalline protrusions, ‘tendril embryos’), and growth (tendrils)—and three corresponding types of bubbles: substrate bubbles beneath wavy or smooth surfaces, embryo bubbles at grain boundaries, and tendril bubbles within the fuzz. Substrate bubbles attain size and density saturation prior to nucleation, indicating a dynamic subsurface bubble layer under continued plasma impact; embryo bubbles undergo anomalous growth that drives surface roughening and protrusion bifurcation, while polycrystalline tendrils emanate from a nanocrystalline near-surface layer, suggesting outward tip-driven growth. We show that elevated local surface temperature and a reduced surface melting point at protrusion and fiber tips generate capillary forces which, together with adatom surface diffusion, sustain fuzz nucleation and growth. The proposed thermodynamic, capillary-driven framework integrates subsurface bubble dynamics, surface diffusion, and plasma–wall interactions into a unified model of fuzz growth that accounts well for the experimental observations.
プラズマ対向材料におけるフズ形成は、依然として十分に理解されていない。我々は、約1173 Kの高フラックス、90 eVのHeプラズマに曝露したタングステン–レニウム（25原子％）における表面下ヘリウムバブルの発展と表面形態遷移を関連付ける。微細組織特性評価により、三つの連続した表面段階—潜伏期（リッジ）、核形成（ナノ結晶突起の束、「テンドリル胚」）、成長（テンドリル）—と、それに対応する三種類のバブル、すなわち波状または平滑な表面下の基板バブル、粒界の胚バブル、フズ内部のテンドリルバブルが明らかになる。基板バブルは核形成に先立ってサイズと密度の飽和に達し、継続的なプラズマ衝撃下での動的な表面下バブル層を示している。胚バブルは、表面の粗面化と突起の分岐を駆動する異常成長を経験する。一方、多結晶テンドリルはナノ結晶の表面近傍層から発生し、外向きの先端駆動成長を示唆している。我々は、突起およびファイバー先端における局所表面温度の上昇と表面融点の低下が毛細管力を生み出し、それがアド原子の表面拡散とともにフズの核形成と成長を持続させることを示す。提案する熱力学的・毛細管駆動の枠組みは、表面下バブル動力学、表面拡散、プラズマ–壁相互作用を、実験的観察をよく説明するフズ成長の統一モデルへと統合する。