韩卫忠:界面-辐照缺陷交互作用的新形态-界面“空位泵”

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高能粒子对材料的持续作用会在材料内部产生大量的点缺陷，它们会进一步演化形成位错环、空洞、气泡等形式多样且尺寸较大的微观缺陷，进而引起材料微观结构的不稳定性和宏观性能的劣化，因此称之为“辐照损伤”。为了提高材料的抗辐照损伤能力，在材料中引入大量的界面是一种有效的方法。界面（相界和晶界）的应力场可以俘获辐照点缺陷，促使其向界面偏聚，加速空位和间隙原子之间的复合，有效降低辐照损伤。所以界面和点缺陷的交互作用特性对调控材料的辐照行为至关重要。

近日，西安交通大学材料学院韩卫忠教授研究组发现铜-银相界面在辐照中可以作为“空位泵”，持续地将铜中辐照产生的空位转移到银中，使铜层富间隙原子，而银层富空位，这是一种全新的界面-缺陷交互作用形态，该发现丰富了材料设计中调控缺陷演化的方法。研究人员运用氦离子辐照对纳米层状铜-银复合材料的辐照损伤行为开展了详细研究。发现辐照后在铜-银样品的表面形成了富铜的凸起物；在离子注入的深度范围内形成了大量纳米氦泡，且银层氦泡显著高于铜层；在离子注入的最大深度之外也观察到了大量的空洞和位错结构；有趣的是银中的氦泡/空洞紧贴界面，而铜中的氦泡/空洞远离界面，形成了一定宽度的无氦泡区域；如下图所示。

研究发现，由于铜-银界面上界面位错在铜一侧形成了压应力场，吸引铜空位到界面偏聚，由于空位在银中具有更低的能量，所以铜侧的空位会自发转移至银中，实现了“空位泵”效应的第一步；同时界面在银一侧形成了拉应力场，易于吸引银间隙原子偏聚到界面处，但由于铜、银原子混合焓大于零，因此银间隙原子仍保持在铜-银界面处，与部分界面空位复合，实现了界面空位到银层内部的转移，这是“空位泵”效应的第二步。随着辐照的进行，由于铜银界面“空位泵”的特殊机制，铜层中的间隙原子浓度越来越高，而银中的空位浓度越来越高。铜中高浓度间隙原子会加速扩散到样品表面形成富铜凸起物，同时扩散到样品内部形成高密度位错结构，而银层中的高密度空位则形成了大量氦泡和空洞，并紧贴铜银界面生长。辐照后样品表面的富铜凸起物、铜间隙原子的反常加速扩散和离子注入区外的高密度位错结构为界面的“空位泵”效应提供了直接实验证据。

以上工作发表在Acta Materialia 160 (2018) 211-223，硕士生王敏为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、青年计划和西安交通大学青年拔尖人才支持计划的资助。