金属纳米线的快重离子辐照效应与缺陷自修复研究

The research related to Swift Heavy Ions(SHI) Irradiation effects of materials has important significance in understanding the mechanisms of ion-matter interaction and design of irradiation tolerant materials. A long-time research indicates that, the irradiation effects of materials are dependent not only on the features of incident ions, but also on the intrinsic characteristics of materials. For bulk materials, defects generated by SHI diffuse into three dimensional space, which form structural damage. However,for nanomaterials, the behavior of defects is dimensionally confined as compared with their bulk counterparts. In the case of nanowires, the motion dynamics of defects could only be one-dimensional. That is to say, the formation, immigration, congregation and annihilation of defects in nanostructures are confined by dimension. Besides, thermal and electrical properties of which are different to bulk materials also have additional influence on behavior of defects. In this project, we are about to concentrate on research about SHI irradiation effects of metal nanowires. By changing the materials, diameter and crystallinity of metal nanowires, we will study the structral damage and irradiation effects of metal nanowires under different electronic energy losses. In combination with theoretical simulations, we will clarify the influence mechanisms of the parameters listed above. The results will reveal the influence of material dimensions on irradiation effects and provide basic experimental data as well as theoretical instructions for irradiation tolerant materials at nanoscale.

材料的快重离子辐照效应研究对于理解离子和物质相互作用机理以及抗辐照材料设计具有重要的意义。多年的研究积累表明，材料的快重离子辐照效应不但与入射离子特性有关而且还与材料本身的特性有关。对于块体材料，荷能离子产生的缺陷在三维空间扩散，最终形成结构损伤。相对于块体材料，纳米材料中的缺陷动力学行为受其空间维度限制。对于纳米线，缺陷运动的动力学过程只能是一维的，即缺陷产生、迁移、聚集和复合受到纳米材料的尺寸限制。此外，与块体材料不同的热学和电学等物理性质也影响纳米材料的缺陷行为。本项目拟针对一维纳米材料体系，开展金属纳米线的快重离子辐照损伤和效应研究。通过改变金属纳米线的材料种类、直径、结晶度、晶体取向，研究不同电子能损条件下的金属纳米线结构损伤和辐照效应。结合理论模拟，阐明上述参数的各自影响机制；揭示尺寸对材料辐照效应的影响规律；为抗辐照材料在纳米尺度的设计提供基础数据和理论依据。

材料的辐照结构损伤与辐照效应研究对荷能粒子与物质相互作用物理基础研究、抗辐照材料设计以及离子束材料改性应用均具有非常重要的意义。已有的研究结果表明，材料自身的参数、离子束参数和环境参数均可以在较大程度上影响材料的辐照损伤及辐照效应。以前的材料辐照研究主要以块体材料为研究对象，因此块体材料的辐照损伤与辐照效应研究取得了很大的进展。相对于块体材料，纳米材料的出现为材料辐照研究引入了“尺寸”这一个全新的变量。也就是说，在纳米尺度，材料的辐照响应将会与块体材料大不相同。因此，开展纳米材料的辐照损伤和辐照效应研究成为材料辐照领域内一个新的研究方向。对于金属纳米材料，一维纳米线具有特殊的结构和纳米尺寸，其辐照损伤和辐照效应以及相应的机制还不是很清楚。因此，本项目专门针对一维金属纳米线，开展了材料参数与辐照参数对辐照损伤和缺陷自修复的影响研究。通过改变金属纳米线的材料种类、直径、晶体取向、结晶性等材料参数，开展了不同种类和不同电子能损条件的快重离子辐照损伤和缺陷自修复研究。研究结果表明，上述参数均对材料辐照损伤和缺陷修复具有重要的影响。影响机制与缺陷产生过程和缺陷自修复能力密切相关，二者是两个相互竞争的机制。与理论模拟相结合，研究发现中等尺寸（50 nm）、[111]取向的多晶纳米线具有相对好的抗辐照能力。研究成果为抗辐照材料在纳米尺度的设计提供了关键基础数据和理论依据。