Despite the low solubility of hydrogen isotopes (HIs) in tungsten (W), their concentration can reach up to ∼10 at.% after low-energy plasma irradiation. This is generally attributed to the vacancies that may accommodate excessive HIs. However, the kinetic energy of incident HIs transferred to W is far below the energy threshold to create a Frenkel pair, the underlying mechanism of defect production is still unclear. Here, we investigate the influence of H on the defect production in W using the molecular dynamic (MD) simulations. It is found that the threshold displacement energy (TDE) in bulk W slight decreases with the increasing of H concentration. This is due to the formation of H-vacancy complexes, which prevents the vacancy-interstitial recombination. More importantly, the H effects are significantly magnified in the surface region. On the one hand, the maximum kinetic energy transferred from 400 eV H to W can reach up to ∼21 eV due to the double-hit process, which is two times higher than that predicted by elastic collision model. On the other hand, the momentum transferred to W is completely random, including both the recoil direction upward and downward from the surface. Accordingly, the lowest TDE in W surface is only 15–21 eV at sub-surface layers with the depth of 6.7–11.1 Å, which is lower than the maximum kinetic energy transferred to W. Therefore, the low-energy HIs irradiation can create the defects in W surface directly. Our findings provide deep insight into defect production in W at sub-threshold energy and have wider implications for materials performance under low-energy ions irradiation.
水素同位体（HIs）のタングステン（W）中での溶解度は低いにもかかわらず、低エネルギープラズマ照射後、その濃度は∼10 at.%に達することができる。これは一般に、過剰なHIsを収容しうる空孔に帰属される。しかしながら、入射HIsからWに移転される運動エネルギーはフレンケル対を生成するエネルギー閾値をはるかに下回っており、欠陥生成の根本的なメカニズムは依然として不明である。ここでは、我々は分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、W中の欠陥生成に対するHの影響を調査する。バルクW中の閾値変位エネルギー（TDE）は、H濃度の増加に伴ってわずかに減少することが見出された。これは、H-空孔複合体の形成によるものであり、これが空孔-格子間原子の再結合を防ぐ。さらに重要なことに、Hの効果は表面領域において著しく増幅される。一方で、400 eVのHからWへ移転される最大運動エネルギーは、ダブルヒット過程により∼21 eVに達することができ、これは弾性衝突モデルで予測される値の2倍である。他方で、Wに移転される運動量は完全にランダムであり、表面から上方および下方への反跳方向の両方を含む。その結果、W表面の最小TDEは、深さ6.7–11.1 Åの表面下層においてわずか15–21 eVであり、これはWに移転される最大運動エネルギーよりも低い。したがって、低エネルギーHIs照射はW表面に直接欠陥を生成し得る。我々の発見は、閾値下エネルギーでのWにおける欠陥生成に対する深い洞察を提供し、低エネルギーイオン照射下での材料性能に対するより広い意味合いを持つ。