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Esta tesis presenta un modelo atomistico basado en dinamica molecular clasica validado con datos experimentales que permite explicar los efectos de la irradiacion ionica en regimen de frenado electronico sobre diversos materiales: silice amorfa, cuarzo y nanoparticulas de plata embebidas en silice. Estos materiales encuentran aplicacion en las opticas finales de plantas de fusion laser, asi como en otros componentes opticos tanto en fusion laser como magnetica. Ademas, otras aplicaciones en el campo de la fotonica resultan beneficiadas por este trabajo, por ejemplo en lo referente a modificacion de nanoparticulas plasmonicas mediante irradiacion ionica. Los datos experimentales utilizados en esta tesis provienen en parte de la Literatura y en parte de campanas de irradiacion llevadas a cabo en colaboracion con nuestros colegas del Centro de Micro-Analisis de Materiales (UAM). Las tecnicas mas apropiadas y, por tanto, mas usadas para estudiar los efectos de la irradiacion en estos materiales se basan en medidas opticas tanto en reflexion, para obtener las variaciones en el indice de refraccion, como en transmision para estimar la produccion de centros de color en silice o la variacion de la resonancia de plasmon en el caso de nanoparticulas de plata. En el caso del cuarzo se ha realizado, ademas, analisis con haz de iones en configuracion canalizada. Muchas de las medidas se han llevado a cabo in situ lo que ha proporcionado informacion de los sistemas bajo irradiacion con un nivel de detalle sin precedentes. Las simulaciones de dinamica molecular se realizaron con los codigos MDCASK y LAMMPS. El codigo MDCASK fue modificado para incluir el modelo del cilindro caliente con inclinacion variable (para simular trazas ionicas), el potencial BKS con la modificacion para interacciones de corto alcance, la combinacion de potenciales para las interacciones de la silice, la plata y la plata-silice y el termino de friccion de Langevin. En el codigo LAMMPS se anadio al potencial BKS la modificacion para interacciones de corto alcance. El modelo atomistico fue validado comparando los cambios en volumen y superficie inducidos por la irradiacion ionica en regimen de frenado electronico con resultados experimentales. El potencial BKS modificado se valido estudiando los cambios incluidos en cuarzo α con medidas opticas in situ. Por ultimo, la combinacion de potenciales se utilizo para estudiar las modificaciones inducidas en nanoparticulas de plata embebidas en silice. Estos resultados se validaron con medidas in situ de la resonancia del plasmon. El modelo reproduce el efecto velocidad, el umbral para generacion de trazas, la estructura de la traza resultante, asi como los efectos superficiales (emision atomica, cambios de morfologia superficial). Ademas, predice la generacion y aniquilacion de defectos. La aplicacion del modelo a silice y cuarzo permite entender las sutiles diferencias apreciadas por las tecnicas de medida en material amorfo y cristalino. Por otro lado, nos ha permitido obtener con un alto grado de detalle la elongacion de nanoparticulas de plata embebidas en silice por efecto de la irradiacion ionica, el cual, es un proceso complejo donde compite la elongacion causada por un impacto individual, la difusion y la maduracion de Ostwald. Por ultimo, hemos podido analizar el fenomeno de acumulacion de trazas y el efecto independiente de un unico impacto. Evidentemente, la dinamica molecular clasica no es capaz de reproducir la evolucion del sistema electronico una vez excitado por un ion incidente y la subsiguiente transferencia de energia a la red. Sin embargo, se puede asumir que tal transferencia de energia es muy rapida y seguir la posterior evolucion del sistema atomico mediante nuestras simulaciones. Los resultados, en buen acuerdo con los experimentos, indican que los iones en regimen de frenado electronico generan trazas ionicas permanentes (de radio nanometrico y longitud micrometrica) con propiedades fisico-quimicas claramente modificadas respecto al material virgen. El hecho de que mediante dinamica molecular clasica seamos capaces de reproducir cuantitativamente los experimentos es un indicativo de que los principales procesos involucrados en la generacion de trazas estan relacionados con la evolucion de la red atomica. Mas alla de reproducir los resultados experimentales, la principal contribucion del modelo atomistico es que ayuda a entender los mecanismos fisicos responsables de la evolucion del sistema irradiado. Asi, hemos identificado tres mecanismos principales asociados a la transferencia de energia del ion en regimen de frenado electronico. Primero, un efecto colectivo de atomos como consecuencia de la ganancia de energia cinetica, seguido de un enfriamiento ultra-rapido debido a la transferencia de energia hacia los alrededores de la traza (zona fria masiva). Esto da lugar a cambios de densidad y ruptura de enlaces con produccion de defectos. La red no puede reconstruirse completamente debido al ultra-rapido enfriamiento por lo que aparece la traza permanente. Segundo, los atomos con alta energia cinetica mas cercanos a las superficies logran escapar dando lugar a un mecanismo de eyeccion de atomos superficiales (sputtering electronico) mucho mas eficaz que los mecanismos tradicionales basados en colisiones elasticas (sputtering fisico). Tercero, en la zona superficial aparece un mecanismo de fluencia que produce la acumulacion de atomos alrededor de la zona de eyeccion, dando lugar a la aparicion de nanocrateres.

Estudios atomísticos de la respuesta a la irradiación de materiales ópticos con aplicación en plantas de fusión nuclear