We report a simulation study of the effect of He-irradiation-induced surface vacancy-adatom pair formation on the surface morphological evolution of plasma-facing component (PFC) tungsten and examine a number of factors that impact such evolution. Our analysis is based on self-consistent dynamical simulations according to an atomistically-informed, continuum-scale surface evolution model that has been developed following a hierarchical multiscale modeling strategy and can access the spatiotemporal scales of relevance to fuzz formation. The model accounts for the flux of surface adatoms generated as a result of the surface vacancy-adatom pair formation effect upon He implantation, which contributes to the anisotropic growth of surface nanostructural features due to the different rates of adatom diffusion along and across step edges of islands on the tungsten surface. We have carried out atomic-scale computations of optimal diffusion pathways along and across island step edges on the W(110) surface and calculated Ehrlich–Schwoebel (ES) barriers in adatom diffusion along and across such step edges. This aspect of surface adatom diffusion contributes to anisotropic surface atomic fluxes, terrace and step diffusive currents, and has been incorporated into our PFC surface evolution model, which predicts the formation of preferentially aligned nanoridge stripe patterns on the PFC surface. We establish that these anisotropic diffusive currents accelerate nanotendril growth on the PFC surface and the onset of surface nanostructure pattern formation. We also explore systematically the dependence of the PFC surface morphological response on the surface temperature and He ion incident flux, characterize in detail the resulting surface topographies and growth kinetics, and compare the predicted surface morphologies with experimental observations. Our simulation predictions for the emerging surface nanostructure patterns under certain plasma exposure conditions are consistent with experimental findings in the literature.
我々は、プラズマ対向機器（PFC）タングステンの表面形態進化に対するHe照射誘起の表面空孔-アドアトム対形成の影響についてのシミュレーション研究を報告し、そのような進化に影響を与える多くの要因を検討する。我々の解析は、階層的マルチスケールモデリング戦略に従って開発され、ファズ形成に関連する時空間スケールに到達できる、原子論的知見に基づく連続体スケールの表面進化モデルに従った自己無撞着動的シミュレーションに基づいている。このモデルは、He注入時の表面空孔-アドアトム対形成効果の結果として生成される表面アドアトムのフラックスを考慮する。このフラックスは、タングステン表面上の島のステップエッジに沿った方向と横切る方向でのアドアトム拡散速度の違いにより、表面ナノ構造特徴の異方性的成長に寄与する。我々は、W(110)表面上の島ステップエッジに沿ったおよび横切る最適拡散経路の原子スケール計算を実行し、そのようなステップエッジに沿ったおよび横切るアドアトム拡散におけるエールリッヒ–シュヴォーベル（ES）障壁を計算した。この表面アドアトム拡散の側面は、異方性的表面原子フラックス、テラスおよびステップ拡散流に寄与し、我々のPFC表面進化モデルに組み込まれている。このモデルは、PFC表面上の優先的に配向したナノリッジストライプパターンの形成を予測する。我々は、これらの異方性拡散流が、PFC表面上のナノテンドリル成長および表面ナノ構造パターン形成の開始を加速することを確立する。我々はまた、PFC表面の形態応答の表面温度およびHeイオン入射フラックスへの依存性を系統的に探求し、結果として生じる表面トポグラフィーと成長動力学を詳細に特徴付け、予測された表面形態を実験的観察と比較する。特定のプラズマ曝露条件下での出現する表面ナノ構造パターンに関する我々のシミュレーション予測は、文献における実験的知見と一致している。