楊 杞，劉東平，范紅玉，劉純潔，袁 凱

(大連民族學院物理與材料工程學院，遼寧大連116605)

能源關系著人類社會的進步和發(fā)展，近年來，能源問題一直是世界各國關注的焦點，按照目前的消耗速度，傳統(tǒng)能源在不久的將來就會枯竭，因此迫切需要新能源的替代。與傳統(tǒng)能源相比，聚變能具有清潔和易采集的特點。國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃是通過國際合作加快核聚變研究開發(fā)的一個重要標志。在聚變裝置中，面向等離子材料(Plasma Facing Materials，PFM)是一種非常重要的材料［1］，它承受從等離子體中發(fā)射出來的高能中子、電磁輻射和高能粒子的強烈作用［2］，直接關系到反應堆中等離子體的穩(wěn)定性。大量的科研工作者對聚變堆面向等離子體材料進行了廣泛的研究［3-4］，其中鎢及鎢合金由于具有高熔點、低濺射率、高熱傳導率以及很好的化學穩(wěn)定性，目前被認為是最有可能成為第一壁材料的候選材料［5］。

聚變裝置中，高能中子和高流強的He離子的轟擊可以使第一壁材料產生大量的缺陷，例如空位、間隙原子簇以及He泡等［6］，從而導致材料內部形成空洞，表面發(fā)生腫脹。這些缺陷會影響聚變反應器的壽命和運行穩(wěn)定性，增加第一壁材料中氘的滯留［7］。

本文研究了高能He離子輻照過程中，輻照溫度對碳化鎢材料表面損傷的作用，通過SRIM軟件模擬了離子的注入深度，利用導電式原子力顯微鏡(CAFM)分析了多晶碳化鎢樣品在He離子輻照條件下微觀結構的演化，為推斷碳化鎢材料表面損傷提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗中采用的輻照樣品為多晶碳化鎢(購于廈門金浦公司)，密度為14.45 g·cm-3，熔點為2 775℃;洛氏硬度為92.1 HRA，尺寸為10 mm×10 mm×2 mm。輻照前對樣品進行拋光處理:先用研磨拋光機進行機械拋光，然后用質量分數為2%NaOH溶液進行電化學拋光，得到接近鏡面的樣品表面。對拋光后的碳化鎢樣品進行離子輻照，采用的He離子能量為100 keV，劑量為1.0×1017ions·cm-2，輻照溫度變化范圍為25～600℃。

1.2 方法

采用導電式原子力顯微鏡(CAFM)對輻照后的樣品進行分析。與研究輻照損傷的掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等傳統(tǒng)方法相比，CAFM具有操作簡單、對樣品無損傷的優(yōu)點［8］。CAFM的測量原理示意圖如圖1。

圖1 CAFM工作原理示意圖

CAFM與普通AFM的最大區(qū)別是其采用的針尖為Pt-Ir合金涂層的導電針尖，針尖和碳化鎢樣品接觸，激光產生強的反射信號，通過AFM控制系統(tǒng)保持信號強度不變而實現恒定反射信號，在樣品和針尖之間施加一恒定偏壓，當導電針尖以一定的頻率進行掃描時，可以同時獲得樣品的表面形貌和電流圖像。電流圖像反映的是輻照樣品內部缺陷導致的電子發(fā)射強度的變化，從電流圖像中可以看到電子發(fā)射強度的變化分析出樣品內部缺陷的信息。這種方法可以直接對樣品表面微結構和亞表層He泡的分布進行比較。此外，將導電針尖固定在某一特定區(qū)域，還可以得出這一區(qū)域的I-V曲線，用于分析樣品導電機制的改變。

2 結果與討論

2.1 SRIM模擬計算

通過SRIM 2008軟件進行模擬計算，可以得到輻照后的碳化鎢樣品中He離子注入的深度分度及位移損傷。計算中采用的鎢和碳的位移閾值能分別為25 eV和28 eV［9］。離子輻照引起的輻照損傷以及濃度分布隨注入深度的變化如圖2，從圖3中可以看出，He離子注入引起的樣品輻照損傷隨注入深度呈現先增大后減小的變化趨勢，在注入深度接近He離子射程時，位移損傷達到最大值4.3 dpa(displacement per atom)。He離子的濃度隨深度也有先增大后減小的變化規(guī)律，在注入深度為260 nm左右濃度達到最大。

圖2 He離子輻照引起的輻照損傷以及濃度分布隨注入深度的變化

2.2 數據分析

不同掃描范圍得到的輻照碳化鎢樣品表面形貌圖像和電流圖像如圖3。輻照的溫度為600℃，輻照離子劑量為1.0×1017ions·cm-2，圖3中的(a)(b)和(c)分別對應掃描尺寸 5 μm ×5 μm、1 μm×1 μm和200 nm×200 nm。左邊的圖片是不同尺度下的形貌圖，(b)圖為(a)圖標記區(qū)域內的放大，(c)圖為(b)圖標記區(qū)域內的放大，右邊的圖片是對應的電流圖。CAFM測量采用的導電針尖偏壓為 +3mV，在針尖上施加正偏壓意味著電子從碳化鎢樣品發(fā)射到針尖，這樣可以有效避免導電針尖的氧化。從圖3中可以清晰地看到，電流圖像中分布著大量的導電缺陷點，尺寸大約為十幾個納米。當掃描尺寸在5 μm×5 μm和1 μm×1 μm時，并不能看出左邊的形貌圖和右邊的電流圖存在明顯的依賴關系，而當掃描尺寸縮小到200 nm×200 nm時，可以看到形貌圖中出現很多納米量級的突起，這些突起和右邊電流圖中的導電缺陷點有對應關系。

圖3 不同掃描范圍下碳化鎢樣品的形貌圖與電流圖

溫度參數對He離子輻照碳化鎢樣品的影響如圖4。左邊的圖片是表面形貌圖，右邊是對應的電流圖。(a)圖為未輻照的碳化鎢樣品，(b)到(e)圖為He離子輻照的樣品，對應的樣品輻照溫度分別為(b)25℃、(c)250℃、(d)400℃和(e)600℃。CAFM測量過程中采用的針尖偏壓分別為(a)3.0 mV、(b)3.2 V、(c)3.0 mV、(d)3.0 mV和(e)3.0 mV。對比未輻照的樣品，可以看到輻照溫度為25℃時，碳化鎢樣品的導電性變差，這意味著室溫時He離子的注入導致碳化鎢樣品電阻率增大。當溫度從25℃變化到600℃時，碳化鎢樣品的導電性明顯增強。納米級的缺陷點在室溫輻照的樣品中并不明顯，隨著輻照溫度的升高，這些缺陷點的尺寸和密度都明顯變大。不同輻照溫度下碳化鎢樣品的I-V曲線如圖5。從圖5中可以看出，輻照溫度對碳化鎢樣品的電子發(fā)射強度有著明顯的影響，當輻照溫度升高時，電子發(fā)射的閾值明顯下降。改變輻照溫度明顯影響材料導電性，這是由于提高溫度明顯改變He的滲入劑量，輻照溫度越高，He原子在材料中擴散速度越大，其中最重要的是向表面擴散的速度，從而導致He滯留劑量降低，最終影響導電性。

圖4 不同溫度輻照樣品的形貌圖和電流圖

圖5 不同溫度輻照樣品的I-V曲線

2.3 結果討論

當離子輻照在室溫下進行時，He離子注入碳化鎢樣品的亞表層中俘獲周圍的電子變成He原子，He原子很容易被空位等缺陷捕獲，這會導致損傷層中He原子的不均勻分布，碳化鎢的電導率σ可以通過下面的公式進行計算:

式中，n為電子密度，q為電子電量，μ為電子遷移率，v為電子漂移速率，E為電場強度。其中電子漂移速率v表示的是電子在電場作用下移動的快慢，如果沒有外加電場，則v的值為零。當He離子注入到碳化鎢樣品中會形成損傷，如產生空位及空位-He復合體，電子在移動的過程中受到阻礙，漂移速率v下降，這就解釋了為什么室溫輻照條件下電子發(fā)射閾值升高而導電性變差。He離子注入碳化鎢樣品形成的空位在溫度升高時會發(fā)生熱遷移，這種熱遷移會有利于空位的聚集，通常雜質原子、缺陷和晶界都可以成為捕獲的中心，從而形成小的納米量級的He泡［10］。由于這種捕獲在He泡的周圍，He的濃度相對下降，所以在CAFM測量圖片中納米級的He泡是相對導電的。

3 結語

本文采用CAFM這種對樣品無損傷的表征方法成功測量了不同溫度條件下He離子輻照的碳化鎢樣品。注入樣品中的摻雜He原子可以降低電子的漂移速率，從而引起碳化鎢樣品電子發(fā)射特性的變化。測量表明，樣品中He原子的熱擴散作用導致注入層納米級He泡的形成和生長，進而在碳化鎢樣品的表面形成腫脹。He泡的尺寸和密度與輻照溫度之間有著明顯的依賴關系，隨著輻照溫度的升高，碳化鎢樣品的損傷程度加劇。

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