Time-modulated helium (He) ion energy (e.g. VBias = −50 + 25·sin(2πfRF · t), fRF = 13.56 MHz) is demonstrated to strongly affect the development of tungsten (W) surface morphology that results from He plasma irradiation in the DIONISOS linear plasma experiment. Nano-tendril bundles (NTBs), which appear as isolated 'islands' of nano-tendrils, can rapidly grow on an otherwise smooth W surface. This is in contrast to previously seen full-surface coverage of nano-tendril growth known as 'fuzz'. When tall NTBs form, less than 15% of the surface contains nano-tendrils. The NTB surface coverage changes with growth conditions and the total volume of nano-tendrils in the NTBs is observed to be up to a factor of 16 larger than when fuzz is grown. This indicates that long-range W surface transport underlies nano-tendril formation.Surface temperature 870–1220 K, the DC bias potential −30 to −70 V, and the ion flux density 4.4 × 1021–1.1 × 1022 He · m−2 · s−1 are varied in the experiments. NTBs form at similar conditions as fuzz with the critical difference being the RF modulation of the ion energy bombarding the W, another indication of the importance of W surface transport. Mass loss measurements indicate net erosion with a yield of 1–8 × 10−4 W/He when NTBs form; erosion that is not attributable to chemical or physical sputtering by He or impurities in the plasma. The erosion is correlated to the NTB growth, based on post-exposure inspection by electron microscopy indicating that NTBs are prone to loss from the surface. NTB growth is compared to the empirical growth-erosion model of fuzz, showing NTBs grow up to a factor of 100 times taller than the expected fuzz layer depth under DC bias conditions. Insights into nano-tendril growth provided by this new growth regime are discussed. Strategies to mitigate W fuzz growth may inadvertently result in rapid localized nano-tendril bundle growth with a higher probability of dust production.
時間変調されたヘリウム(He)イオンエネルギー(例: VBias = −50 + 25·sin(2πfRF・t)、fRF = 13.56 MHz)は、DIONISOS線形プラズマ実験装置においてHeプラズマ照射に起因するタングステン(W)表面形態の形成に強く影響することが実証された。ナノテンドリル束(NTBs)は、ナノテンドリルの孤立した「島」として現れ、それ以外は平滑なW表面上で急速に成長し得る。これは、従来から知られている「ファズ」として知られるナノテンドリル成長による表面全体の被覆とは対照的である。高いNTBsが形成される場合、表面の15%未満しかナノテンドリルを含まない。NTBの表面被覆率は成長条件によって変化し、NTB内のナノテンドリルの総体積は、ファズが成長した場合よりも最大で16倍大きいことが観察された。このことは、長距離のW表面輸送がナノテンドリル形成の根底にあることを示している。実験では、表面温度870〜1220 K、DCバイアス電位−30〜−70 V、イオンフラックス密度4.4 × 10^21〜1.1 × 10^22 He・m^−2・s^−1を変化させた。NTBはファズと同様の条件下で形成されるが、その臨界的な違いはWに衝突するイオンエネルギーのRF変調であり、W表面輸送の重要性を示すもう一つの証拠となっている。質量損失測定により、NTBが形成される際の正味の侵食収量は1〜8 × 10^−4 W/Heであることが示された。この侵食は、プラズマ中のHeや不純物による化学的または物理的スパッタリングに起因するものではない。この侵食はNTBの成長と相関があり、電子顕微鏡による曝露後検査によりNTBが表面から脱離しやすいことが示されたことから、そのように判断された。NTB成長をファジーの経験的成長-侵食モデルと比較したところ、NTBはDCバイアス条件下での予想ファジー層深さよりも最大で100倍高い位置まで成長することが示された。この新しい成長レジームによってもたらされるナノテンドリル成長への洞察について考察する。Wファジー成長を緩和する戦略は、結果として、ダスト生成の確率が高い急速な局所的ナノテンドリル束成長をもたらす可能性がある。