王 研 范紅玉 呂夢堯 周耿仟 關(guān)延民 牛金海

（大連民族學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院 大連 116600）

低能大流強(qiáng)氦離子輻照對鉬的表面損傷作用

王 研 范紅玉 呂夢堯 周耿仟 關(guān)延民 牛金海

（大連民族學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院 大連 116600）

鉬(Mo)材料被作為托卡馬克裝置中面向等離子體材料的候選材料被廣泛研究，因此研究鉬材料的輻照損傷行為對于認(rèn)識聚變堆關(guān)鍵材料的輻照損傷機(jī)制具有重要意義。采用低能(100 eV)、大流強(qiáng)(約1021ions·m-2·s-1) He+在600 °C對鉬樣品進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，考察了離子輻照劑量和退火溫度變化對鉬材料的表面損傷作用。分別采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和無損傷的導(dǎo)電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)檢測技術(shù)對輻照前后樣品的微觀形貌、微結(jié)構(gòu)演化以及內(nèi)表面缺陷分布等進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，He+輻照會誘導(dǎo)鉬樣品晶粒尺寸的增加，鉬材料表面的晶粒取向會影響輻照缺陷的分布。這對于探索抑制材料輻照損傷的新方法具有重要的指導(dǎo)意義。

He+輻照，鉬，表面損傷，導(dǎo)電原子力顯微鏡

核聚變能是未來的潛在能源。與裂變能相比，核聚變能在原料（燃料氫的同位素氘在海水中含量豐富）和能源的清潔安全（聚變產(chǎn)物為氦）方面具有非常大的優(yōu)勢。制約核聚變堆商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一是面向等離子體的材料問題。在聚變服役環(huán)境下，面向等離子體材料將直接遭受聚變反應(yīng)中高溫、高熱負(fù)荷、強(qiáng)流粒子束與中子束輻照等效應(yīng)而發(fā)生損傷，導(dǎo)致材料的物理化學(xué)性能下降，服役時(shí)間縮短，嚴(yán)重影響聚變裝置的安全性和可靠性。因此，研究聚變輻照條件下材料的損傷過程具有非常重要的意義[1-4]。鉬材料具有高質(zhì)量數(shù)、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、氚滯留量低等優(yōu)點(diǎn)，被作為面向等離子體材料的候選材料而廣泛研究[5-6]。

本文研究了低能He+輻照對鉬材料的表面損傷作用，采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和導(dǎo)電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)技術(shù)分析了離子輻照劑量、輻照前樣品退火溫度對鉬材料表面形貌、輻照缺陷分布的影響。本工作對于進(jìn)一步認(rèn)識鉬材料的輻照損傷機(jī)制、探索抑制材料輻照損傷的新方法和推動聚變堆關(guān)鍵材料的發(fā)展具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

He+輻照實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和搭建的等離子體輻照實(shí)驗(yàn)平臺上完成的[7]。該系統(tǒng)由離子源系統(tǒng)、離子引出系統(tǒng)、真空排氣和檢測系統(tǒng)、偏壓引出系統(tǒng)、激光加熱系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等組成。與弧放電離子源輻照裝置相比，該設(shè)備采用高密度射頻(Radio Frequency, RF)離子源，可產(chǎn)生大流強(qiáng)(約1021ions·m-2·s-1)H+、He+離子流，性能穩(wěn)定（運(yùn)行時(shí)間可達(dá)30 h以上），可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間大劑量輻照實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，該系統(tǒng)采用激光加熱技術(shù)，基底溫度可加熱至上千度；采用基底偏壓技術(shù)，可嚴(yán)格控制H+、He+能量，使之在5-1 000 eV連續(xù)可調(diào)。通過改變放電功率、負(fù)偏壓以及激光器功率等方式對等離子體束的流強(qiáng)、能量、基底溫度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，開展等離子體輻照方面的研究工作。本實(shí)驗(yàn)中的離子輻照條件為：He+能量為100 eV，調(diào)整激光器功率，使得基底溫度控制在600 °C，He+輻照劑量分別為1×1023ions·m-2、3×1023ions·m-2、1×1024ions·m-2、3×1024ions·m-2、1×1025ions·m-2。流強(qiáng)為6×1020m-2·s-1的He+束流垂直入射在Mo樣品表面，輻照區(qū)域直徑為10 mm的圓形。Mo樣品尺寸為15mm×15 mm×2 mm，純度為99.5%，購于廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司。樣品輻照前經(jīng)過真空（真空度約10-3Pa）退火處理，退火溫度從室溫變化至1750 °C。

采用SEM（S4800，日本）對輻照前后樣品的表面形貌進(jìn)行了分析。采用CAFM（DI3100，美國）對輻照前后樣品的表面形貌和缺陷分布大小及形態(tài)進(jìn)行了分析。采用CAFM分析材料輻照缺陷的原理如圖1所示。材料表面的腫脹情況可以直接體現(xiàn)在CAFM的形貌圖上，而材料內(nèi)部的缺陷分布會造成電子發(fā)射密度的不同，從而改變CAFM的電流分布圖像，將同時(shí)獲得的樣品形貌圖和電流分布圖進(jìn)行比較，可以得到輻照樣品內(nèi)部的缺陷分布與表面腫脹、表面起泡、表面納米結(jié)構(gòu)層等表面損傷效應(yīng)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 輻照劑量的影響

2.1.1 SEM分析

圖2給出了樣品表面形貌隨離子輻照劑量的變化，實(shí)驗(yàn)條件為：離子能量100 eV，輻照溫度600 °C，輻照前樣品退火溫度1 100 °C。從圖2中可以看出，輻照前的樣品表面較平整，輻照后樣品表面發(fā)生了明顯的變化，隨著輻照劑量的增加，樣品表面逐漸出現(xiàn)凸起的小顆粒，表面粗糙度增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)輻照后樣品表面晶界處的刻蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，晶粒間出現(xiàn)了明顯的梯度層。

圖1 CAFM分析材料輻照損傷的原理示意圖Fig.1 Schematic of CAFM analysis of the irradiation damage.

圖2 樣品的表面形貌圖隨輻照劑量的變化Fig.2 SEM images of sample surface morphology at different ion fluences.

2.1.2 CAFM分析

由于CAFM技術(shù)對于樣品內(nèi)表層附近的缺陷及He泡檢測比較敏感，且相對于其他傳統(tǒng)表征方法而言，該方法簡單、無破壞性[8-10]，因此采用CAFM對低能He+輻照誘導(dǎo)的鉬材料表面微結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷分布之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。圖3給出了鉬材料1 100 °C退火后在不同劑量He+輻照下的表面形貌圖(A-F)和同時(shí)得到的電流分布圖(a-f)，樣品上施加的偏壓為-10 mV。從圖3(A-F)可以看出，輻照前樣品表面較平整，隨著離子輻照劑量增加，樣品表面出現(xiàn)了較明顯的凸起顆粒，樣品表面粗糙度增加，這與SEM分析的結(jié)果一致。從圖3(a-f)可以看出，輻照前樣品內(nèi)部漏電流分布較少，說明樣品內(nèi)部缺陷較少。當(dāng)輻照劑量為1×1023ions·m-2時(shí)，樣品內(nèi)部檢測到了明顯的電流缺陷分布，這些缺陷成不規(guī)則的圓形或橢圓形且大小在10 nm以下，可歸屬為樣品內(nèi)表面的He泡缺陷。隨著輻照劑量增加，He泡尺寸逐漸增加，至輻照劑量為1×1024ions·m-2時(shí)，He泡尺寸增加至20 nm左右。這主要是因?yàn)殂f材料在載能He+的轟擊下會產(chǎn)生空位、雜質(zhì)、位錯(cuò)等晶格缺陷。這些缺陷會成為捕獲He的不飽和陷阱，隨著He的不斷聚集和遷移，小的缺陷逐漸聚集形成納米尺寸的He泡缺陷，He泡缺陷的存在造成鉬材料表面電子發(fā)射發(fā)生改變，從而形成具有一定形狀的電流分布圖像。當(dāng)輻照劑量為3×1024ions·m-2時(shí)，He泡密度明顯增加，繼續(xù)增加輻照劑量，He泡的密度和尺寸都不再發(fā)生明顯變化，但是發(fā)現(xiàn)He泡的分布與樣品表面的凸起分布具有一定的對應(yīng)關(guān)系，這說明樣品表面微結(jié)構(gòu)的形成與樣品內(nèi)表面納米尺寸He泡的形成相關(guān)。

圖3 采用CAFM測得樣品在不同輻照劑量下的表面形貌圖(A-F)和同時(shí)獲得的漏電流分布圖(a-f)Fig.3 Conductive atomic force microscopy analysis of the surface morphology (A-F) and current (a-f) of the samples irradiated at different ion fluences.

2.2 退火溫度的影響

2.2.1 SEM分析

圖4對比了不同溫度退火后的樣品在輻照前后的表面形貌變化。實(shí)驗(yàn)條件為：離子能量100 eV，輻照溫度600 °C，劑量1×1025ions·m-2。鉬樣品在輻照前進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)，一方面是為了釋放樣品內(nèi)部應(yīng)力，盡量減少樣品內(nèi)部缺陷，有利于CAFM分析；另一方面是為了消除輻照時(shí)的溫度效應(yīng)。退火溫度分別為800 °C、1000°C、1200 °C、1 500 °C、1 750 °C。由圖4，未退火樣品的晶粒尺寸較小，小于100 nm，輻照后晶粒尺寸明顯增加至2 μm左右。同樣，其他溫度退火的樣品在輻照后晶粒尺寸也明顯增加，這說明低能He+輻照能夠誘導(dǎo)Mo晶粒尺寸的增加。另外，對比輻照前后樣品形貌發(fā)現(xiàn)，輻照前樣品表面均較平整，但是輻照后樣品晶粒間均出現(xiàn)了較明顯的梯度層，這說明低能He+輻照對Mo材料表面具有明顯的刻蝕作用。

圖4 不同退火溫度的樣品輻照前后的表面形貌圖Fig.4 SEM images of sample surface morphology at different annealed temperature before and after ion irradiation.

2.2.2 CAFM分析

同樣，我們采用CAFM對不同溫度退火的樣品經(jīng)過He+輻照后的表面形貌和內(nèi)部缺陷分布進(jìn)行了分析。圖5給出了鉬材料在不同溫度退火后經(jīng)過低能He+輻照下的表面形貌圖(A-F)和同時(shí)得到的電流分布圖(a-f)，樣品上施加的偏壓為-10 mV。從圖5中可以看出，無論是否經(jīng)過退火實(shí)驗(yàn)，Mo材料內(nèi)部均檢測到了明顯的納米尺寸He泡缺陷，并且缺陷分布較密集。但是在800-1 000 °C退火的樣品內(nèi)部缺陷分布較不均勻，樣品局部區(qū)域沒有缺陷分布。

圖5 采用CAFM測得不同退火溫度的樣品表面形貌圖(A-F)和同時(shí)獲得的漏電流分布圖(a-f)Fig.5 Conductive atomic force microscopy analysis of the surface morphology (A-F) and current (a-f) of the samples irradiated at different annealed temperature.

采用CAFM對1 000 °C退火的樣品進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析，如圖6所示。我們增加樣品的掃描尺寸至5 μm，樣品上施加-10 mV的偏壓，可以看出樣品內(nèi)部電流分布與晶粒分布具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，不同晶粒間的電流分布具有明顯的不均勻性。我們在不同晶粒上各取一部分樣品表面進(jìn)行分析，分別標(biāo)記為A和B。如圖6所示，A區(qū)域可以明顯檢測到輻照缺陷，且缺陷分布均勻，與形貌具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這可能是由于A晶粒的晶面取向更容易發(fā)生損傷。當(dāng)采用相同偏壓檢測B區(qū)域時(shí)發(fā)現(xiàn)，B區(qū)域幾乎不導(dǎo)電，這說明B區(qū)域的損傷較少，幾乎無缺陷存在。將B區(qū)域偏壓增加至-6 V時(shí)，才觀察到電流的反饋，這說明B區(qū)域所在的晶面具有良好的抗輻照性能。從圖6中也可以明顯地觀測到樣品表面上A、B區(qū)域處于兩個(gè)晶粒上，而這兩個(gè)晶粒具有不同的晶面取向可能是造成輻照缺陷分布產(chǎn)生差異的主要原因。

圖6 采用CAFM分析1 000 °C退火溫度的樣品表面形貌圖(A-C)和同時(shí)獲得的漏電流分布圖(a-c)Fig.6 Conductive atomic force microscopy analysis of the surface morphology (A-C) and current (a-c) of the samples irradiated at annealed temperature of 1 000 °C.

3 結(jié)語

本文采用SEM和CAFM表征方法分析了低能大流強(qiáng)He+輻照對鉬材料的表面損傷作用?？疾炝穗x子輻照劑量、輻照前樣品退火溫度等參數(shù)對鉬材料表面形貌、輻照缺陷分布的影響。結(jié)果表明，離子輻照會誘導(dǎo)鉬樣品的晶粒長大，通過無損傷的CAFM分析表明樣品表面的晶面取向?qū)τ贖e+輻照引起的缺陷分布具有很大的影響，這對于制備抗輻照材料和探索抑制材料輻照損傷的新方法具有重要的意義。

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CLCTL62+7

Influence of low energy and high-flux He ion irradiation on the surface damage of Mo

WANG Yan FAN Hongyu LYU Mengyao ZHOU Gengqian GUAN Yanmin NIU Jinhai
(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Background: Irradiation damage in materials has been of major interest for the nuclear materials community due to the needs to well understand and predict the behaviors of fusion reactor materials. Molybdenum (Mo) has been regarded as the potential candidates for the plasma-facing materials (PFMs) in Tokmak fusion reactors. Purpose: The understanding of the irradiation damage behavior of Mo is the major issue for development of key fusion reactors materials. Methods: Polycrystalline molybdenum materials have been irradiated with low-energy (100 eV) and high-flux (～1021ions·m-2·s-1) He+at the irradiation temperature of 600 °C. The effects of ion dose and annealing temperature on the surface damage of molybdenum are investigated. The morphology, microscopic evolution and distribution of defects of these samples before and after irradiation are compared using scanning electron microscopy (SEM) and non-destructive conductive atomic force microscopy (CAFM). Results: Analysis indicates that He+irradiation can induce the increase of molybdenum sample grain size. The distribution of irradiation defect is depended on the grain orientation. The specific orientation of molybdenum material has a good performance in irradiation resistance. Conclusion: This work is of guiding significance to the exploration of the suppression of material irradiation damage.

He+irradiation, Molybdenum (Mo), Surface damage, Conductive atomic force microscopy (CAFM)

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120204

項(xiàng)目(No.11405023)、遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(No.L2014539)、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No.G201412026039)和大連民族學(xué)院“太陽鳥”學(xué)生科研項(xiàng)目(No.tyn2014353)資助

王研，女，1992年出生，2012年就讀于大連民族學(xué)院攻讀學(xué)士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)椴牧陷椪論p傷

范紅玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2014-09-29，

2014-10-08