界面-輻照缺陷交互作用的新形態：界面“空位泵”

【前言】

高能粒子對材料的持續作用會在材料內部產生大量的點缺陷，它們會進一步演化形成位錯環、空洞、氣泡等形式多樣且尺寸較大的微觀缺陷，進而引起材料微觀結構的不穩定性和宏觀性能的劣化，因此稱之為“輻照損傷”。為了提高材料的抗輻照損傷能力，在材料中引入大量的界面是一種有效的方法。界面（相界和晶界）的應力場可以俘獲輻照點缺陷，促使其向界面偏聚，加速空位和間隙原子之間的復合，有效降低輻照損傷。所以界面和點缺陷的交互作用特性對調控材料的輻照行為至關重要。

【成果簡介】

近日，西安交通大學材料學院韓衛忠教授研究組發現銅-銀相界面在輻照中可以作為“空位泵”，持續地將銅中輻照產生的空位轉移到銀中，使銅層富間隙原子，而銀層富空位，這是一種全新的界面-缺陷交互作用形態，該發現豐富了材料設計中調控缺陷演化的方法。研究人員運用氦離子輻照對納米層狀銅-銀復合材料的輻照損傷行為開展了詳細研究。發現輻照后在銅-銀樣品的表面形成了富銅的凸起物；在離子注入的深度范圍內形成了大量納米氦泡，且銀層氦泡顯著高于銅層；在離子注入的最大深度之外也觀察到了大量的空洞和位錯結構；有趣的是銀中的氦泡/空洞緊貼界面，而銅中的氦泡/空洞遠離界面，形成了一定寬度的無氦泡區域；如下圖所示。

????研究發現，由于銅-銀界面上界面位錯在銅一側形成了壓應力場，吸引銅空位到界面偏聚，由于空位在銀中具有更低的能量，所以銅側的空位會自發轉移至銀中，實現了“空位泵”效應的第一步；同時界面在銀一側形成了拉應力場，易于吸引銀間隙原子偏聚到界面處，但由于銅、銀原子混合焓大于零，因此銀間隙原子仍保持在銅-銀界面處，與部分界面空位復合，實現了界面空位到銀層內部的轉移，這是“空位泵”效應的第二步。隨著輻照的進行，由于銅銀界面“空位泵”的特殊機制，銅層中的間隙原子濃度越來越高，而銀中的空位濃度越來越高。銅中高濃度間隙原子會加速擴散到樣品表面形成富銅凸起物，同時擴散到樣品內部形成高密度位錯結構，而銀層中的高密度空位則形成了大量氦泡和空洞，并緊貼銅銀界面生長。輻照后樣品表面的富銅凸起物、銅間隙原子的反常加速擴散和離子注入區外的高密度位錯結構為界面的“空位泵”效應提供了直接實驗證據。

????以上工作發表在Acta Materialia 160 (2018) 211-223，碩士生王敏為第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、青年千人計劃和西安交通大學青年拔尖人才支持計劃的資助。

Link:?https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.003

本文由西安交通大學材料學院供稿，材料人編輯部整理。

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