3C-SiC is a promising candidate for structural material of nuclear fusion reactors, and H, T, and D irradiation often causes undesired volume swelling, bubble formation, and degradation of the mechanical properties of the material. However, the underlying mechanisms of these processes are still not well understood. We thereby carried out systematical first-principles calculations to investigate the interaction of H with irradiation-induced point defects in 3C-SiC. Our results show that both self-interstitial atoms and vacancies can act as trap sites for H, which can effectively influence the retention of H and its isotopes in 3C-SiC. Self-interstitial C and Si atoms can trap up to six and five H atoms, respectively. A C vacancy can trap up to eight H atoms with two H2 molecules formed, while a Si vacancy can trap only four H atoms with no H2 molecule formation. The accumulation of H atoms in vacancy forming vacancy-hydrogen clusters may act as the nucleation site for bubbles or blisters in 3C-SiC. The accumulation of H in a vacancy can result in the instability of atoms around the vacancy, which may result in the growth of vacancy-hydrogen clusters to blisters or bubbles. Both Si and C vacancies can significantly slow down the diffusion of H, and energy barriers of H diffusion from the Si and C vacancies reach respectively up to 3.40 and 2.13 eV, which are much higher than that in bulk. These results explain why the calculated diffusion activation energy of H in perfect 3C-SiC is much smaller than experimental values. Our results are helpful for understanding the micro-mechanism of H retention and bubble formation experimentally observed in 3C-SiC.
3C-SiCは核融合炉の構造材料の有望な候補であり、H、T、およびDの照射はしばしば望ましくない体積膨張、バブルの形成、および材料の機械的特性の劣化を引き起こす。しかしながら、これらのプロセスの根本的なメカニズムはまだ十分に理解されていない。そこで我々は、3C-SiCにおける照射誘起点欠陥とHの相互作用を調査するために、系統的な第一原理計算を実施した。我々の結果は、自己格子間原子と空孔の両方がHのトラップサイトとして機能し得ることを示しており、これが3C-SiCにおけるHおよびその同位体の保持に効果的に影響を及ぼす可能性がある。自己格子間C原子およびSi原子は、それぞれ最大6個および5個のH原子をトラップできる。C空孔は、2つのH₂分子が形成された状態で最大8個のH原子をトラップできる一方、Si空孔は、H₂分子が形成されない状態でわずか4個のH原子しかトラップできない。空孔中へのH原子の蓄積は、空孔-水素クラスターを形成し、これが3C-SiCにおけるバブルまたはブリスターの核形成サイトとして機能する可能性がある。空孔中へのHの蓄積は、空孔周囲の原子の不安定化をもたらし、これが空孔-水素クラスターのブリスターまたはバブルへの成長をもたらす可能性がある。Si空孔とC空孔の両方がHの拡散を大幅に遅延させることができ、Si空孔およびC空孔からのHの拡散エネルギー障壁はそれぞれ最大3.40 eVおよび2.13 eVに達し、これはバルク中よりもはるかに高い。これらの結果は、完全な3C-SiCにおけるHの拡散活性化エネルギーの計算値が実験値よりもはるかに小さい理由を説明している。我々の結果は、3C-SiCにおいて実験的に観察されたH保持およびバブル形成の微視的メカニズムの理解に役立つ。