Fundamental understanding of hydrogen–metal interactions is challenging due to a lack of knowledge on defect production and/or evolution upon hydrogen ingression, especially for metals undergoing hydrogen irradiation with ion energy below the displacement thresholds reported in literature. Here, applying a novel low-energy argon-sputter depth profiling method with significantly improved depth resolution for tungsten (W) surfaces exposed to deuterium (D) plasma at 300 K, we show the existence of a 10 nm thick D-supersaturated surface layer (DSSL) with an unexpectedly high D concentration of ~10 at.% after irradiation with ion energy of 215 eV. Electron back-scatter diffraction reveals that the W lattice within this DSSL is highly distorted, thus strongly blurring the Kikuchi pattern. We explain this strong damage by the synergistic interaction of energetic D ions and solute D atoms with the W lattice. Solute D atoms prevent the recombination of vacancies with interstitial W atoms, which are produced by collisions of energetic D ions with W lattice atoms (Frenkel pairs). This proposed damaging mechanism could also be active on other hydrogen-irradiated metal surfaces. The present work provides deep insight into hydrogen-induced lattice distortion at plasma–metal interfaces and sheds light on its modelling work.
水素–金属相互作用の根本的理解は、水素侵入時の欠陥生成および/または進展に関する知識が不足しているために困難である。特に、文献で報告されている変位閾値未満のイオンエネルギーで水素照射を受ける金属についてはなおさらである。ここでは、300 Kで重水素(D)プラズマに曝露されたタングステン(W)表面に対して、深さ分解能を大幅に向上させた新規の低エネルギーアルゴンスパッタ深さプロファイリング法を適用し、215 eVのイオンエネルギーでの照射後に、予想外に高いD濃度 ~10 at.% を有する10 nm厚のD過飽和表面層(DSSL)の存在を示す。電子後方散乱回折により、このDSSL内のW格子は大きく歪んでおり、それによって菊池パターンが強くぼやけることが明らかになる。我々はこの強い損傷を、高エネルギーのDイオンおよび溶質D原子とW格子との相乗的相互作用によって説明する。溶質D原子は、高エネルギーのDイオンとW格子原子との衝突によって生成される空孔と格子間W原子（フレンケル対）の再結合を防ぐ。この提案された損傷メカニズムは、他の水素照射された金属表面でも活性である可能性がある。本研究は、プラズマ–金属界面における水素誘起格子歪みへの深い洞察を提供し、そのモデリング研究に光を当てるものである。