高能重离子辐照高压条件下地质材料的相变研究

High-energy heavy ions irradiation and high pressure technique are important ways to get material modification and new materials. During high-energy heavy ions passing through target material, transient huge energy density deposits in a local region where the temperature reach or even exceed the melting point, inducing the formation of amorphous or metastable high temperature or high pressure phase; Although high pressure thechnique is very efficient in getting high pressure phase transition, the phase is not usually metastable.. In this project, we combine the techniques of high-energy heavy ions irradiation and diamond anvil cell together, to study the effects of graphite and apatite induced by high-energy heavy ions under high pressure. Using transmission electron microscope, Raman spectroscopy and X-ray diffraction, it is expected to get the knowledge of the formation of new phase, the stability of the phase and latent tracks morphology as functions of pressure, electronic energy loss and ion fluence. By comparing the results with other heavy ions irradiation experiments under ambient pressure and high pressure experiments, we will give the mechanism of the formation and retainment of metastable phase induced by high-energy heavy ions under high pressure. It may shed insight on several scientific fields such as materials science, geo-science.

高能重离子辐照技术与高压技术均是材料改性、新材料合成的重要手段。高能重离子在靶材中瞬时大的能量密度沉积可导致沿入射离子路径局部区域的温度急剧增加达到甚至超过靶材熔点，导致靶材非晶化或形成亚稳的高温、高压相；高压技术虽在引起材料高压相变方面十分有效，但高压相变往往不是亚稳相。. 本申请项目将高能重离子辐照技术与金刚石压腔技术结合，通过高能重离子辐照高压条件下的石墨、磷灰石等地质材料，利用透射电子显微镜、显微共焦拉曼光谱仪、X射线衍射等技术，研究新相态的产生、辐照缺陷对亚稳相截留、潜径迹形貌等随压强、入射离子电子能损、照射剂量等重要参数的变化关系。并将结果与常压条件重离子辐照及单独加压的研究结果对比分析，从微观尺度上揭示高能重离子与高压共同作用下引起的亚稳相生成和辐照损伤对亚稳相截留的作用机制。该研究结果对材料科学、地质学等学科有重要参考价值。

高能重离子在靶材中瞬时大的能量密度沉积，可导致沿入射离子路径局部区域的温度急剧增加，使该区域靶材发生固态到液态的相变，随后又快速冷却，导致靶材非晶化或形成亚稳的高温、高压相。因此，高能重离子辐照技术是一种重要的材料改性技术。本项目通过高能重离子辐照高定向热解石墨、多层及少层二硫化钼单晶、金红石型二氧化钛单晶等地质材料，利用显微共焦拉曼光谱仪、原子力显微镜、透射电子显微镜等表征手段，研究了上述材料潜径迹产生、形貌、尺寸、再结晶等随入射离子种类、能量、电子能损、辐照注量等辐照参数的变化关系。利用非弹性热峰模型对所得实验数据进行了定量解释。我们首次在经40.5 MeV Sn离子辐照后的石墨基面，观察到了位于865波数的B2g峰。该拉曼峰的峰强几乎与入射光偏振方向无关。据此推断是重离子辐照导致在石墨中形成了随机取向的再结晶石墨晶粒，正是这种随机取向的再结晶石墨晶粒导致了原本不应该在石墨基面出现的B2g峰被拉曼光谱所观测到。而且，透射电镜的结果支持这一推论。该成果证明可通过拉曼光谱这一快速无损的手段研究快重离子在石墨中的再结晶现象。对于少层或多层二硫化钼单晶的研究成果表明其对快重离子辐照较为敏感，且为未来以二硫化钼作为关键材料的场效应器件在空间辐射环境下的应用及抗辐射性能评估提供了重要实验数据。在金红石型二氧化钛单晶的研究中，我们观察到了体径迹内部明显的不规则形状的纳米孔洞，并对空洞所占比例给出了半定量的估算，比例约19-38%。通过过热情况下的非弹性热峰模型，我们对快重离子在金红石中的潜径迹大小进行了定量计算与实验值符合得较好。该成果可用于未来国际上开展相关实验的理论指导。