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納米結(jié)構(gòu)核材料離子束初級輻照損傷模擬研究獲進展

作者： 2015年12月22日來源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：

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　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員曾雉課題組與美國麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系教授李巨（Ju Li）小組以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授丁澤軍合作，在納米結(jié)構(gòu)核材料離子束初級輻照損傷模擬研究中取得進展，自主開發(fā)了“納米結(jié)構(gòu)核材料離子束輻照的三維蒙特卡洛”并行開源程序IM3D（Irradiated Microstructures in 3D）。相關(guān)成果發(fā)表在Scientific Reports上（Li, Y.G. et al.IM3D: A parallel Monte Carlo code for efficient simulations of primary radiation displacements and damage in 3D geometry. Sci. Rep. 2015, 5, 18130; doi: 10.1038/srep18130）。IM3D開源程序也將在固體物理研究所物質(zhì)計算科學(xué)研究室網(wǎng)頁上同步發(fā)布。

　　復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)材料在離子轟擊下的輻照損傷行為研究備受關(guān)注。一方面，在核聚變高溫等離子體作用下，面向等離子體材料會發(fā)生嚴(yán)重的表面損傷/重構(gòu)，從而產(chǎn)生各種復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)，進一步影響材料表面的損傷行為和高溫等離子體的穩(wěn)定性。另一方面，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料由于存在著高密度的界面，對可動缺陷有很好的吸收和湮滅效果，被認為是一類很有潛力的高抗輻照結(jié)構(gòu)候選材料。而高能離子束轟擊作為目前最有效的輻照手段之一，已被廣泛地用于納米結(jié)構(gòu)材料抗輻照行為的研究中。因此，研究納米結(jié)構(gòu)材料在離子束輻照下的損傷問題，尤其是初級輻照損傷過程，是揭示其跨尺度損傷行為和高抗輻照性能的關(guān)鍵。由于實驗上很難探測到初級輻照損傷過程中單次級聯(lián)損傷事件（時間和空間尺度分別為~10^-13-10^-11s 和 10^-9-10^-8m），因而發(fā)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系離子束輻照的理論模擬方法，對于系統(tǒng)地探究納米結(jié)構(gòu)核材料在離子束輻照下初級損傷的新效應(yīng)更加不可替代。

　　由于其簡單高效，蒙特卡洛方法已成為模擬離子與固體相互作用的首選方法。然而對于納米結(jié)構(gòu)材料離子束初級輻照損傷模擬問題，SRIM/TRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）類型的蒙特卡洛程序一直受到三維結(jié)構(gòu)通用性和計算效率的制約。為此，團隊成員李永鋼通過采用快速數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)抽樣彈性散射角和非彈性阻止本領(lǐng)，可選實體結(jié)構(gòu)幾何法（CSG）和有限元三角形網(wǎng)格法（FETM）構(gòu)造任意復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)體系，自主開發(fā)了通用、高效和高并行效率的IM3D開源軟件，在保持與SRIM/TRIM相同精度的同時，極大地拓寬了離子束輻照蒙特卡洛程序的普適性和高效性，可快速計算在任意幾何結(jié)構(gòu)、任意組分材料內(nèi)各種初級輻照缺陷的三維空間分布。IM3D的模擬結(jié)果不僅與塊體/多層膜體系的SRIM/TRIM的結(jié)果以及納米體系的分子動力學(xué)結(jié)果很好地符合，同時單機計算效率提高2-3個數(shù)量級，并行計算效率可提升超過4個數(shù)量級，且并行效率達到80%以上。對于任意復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)體系，IM3D也可以在秒到分鐘的時間內(nèi)完成典型高能粒子初級輻照損傷的快速模擬。

　　基于IM3D，研究團隊系統(tǒng)分析了納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)和納米能量效應(yīng)對納米結(jié)構(gòu)材料初級輻照損傷的影響、氧化物彌散增強鋼中納米Y2O3粒子穩(wěn)定性和高抗輻照特性、離子濺射誘導(dǎo)的納米線彎曲效應(yīng)以及粗糙表面對D/He的初級滯留和表面濺射的增強/抑制作用等系列問題，證明IM3D對于揭示納米結(jié)構(gòu)材料輻照效應(yīng)具有很大的應(yīng)用空間。該開源程序為復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料離子束輻照的初級損傷效應(yīng)提供了更為普適、高效的理論分析工具，也可拓展應(yīng)用于模擬和定量評估離子注入和表面改性、半導(dǎo)體摻雜以及聚焦離子束（FIB）濺射和微納加工等多個領(lǐng)域。

圖1. IM3D整體技術(shù)架構(gòu)

圖2. IM3D模擬結(jié)果與SRIM（上圖）和分子動力學(xué)（下圖）結(jié)果對比

　　圖3.（左）氧化物彌散增強鋼（ODS）中Y2O3納米粒子尺寸效應(yīng)對體系穩(wěn)定性的作用；（右）鎢粗糙表面對D/He離子滯留和表面濺射的影響

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