He離子輻照碳化鎢樣品的實(shí)驗(yàn)研究

楊 杞，劉東平，范紅玉，劉純潔，袁 凱

(大連民族學(xué)院物理與材料工程學(xué)院，遼寧大連116605)

能源關(guān)系著人類社會的進(jìn)步和發(fā)展，近年來，能源問題一直是世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)，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(diǎn)。國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃是通過國際合作加快核聚變研究開發(fā)的一個(gè)重要標(biāo)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(qiáng)烈作用［2］，直接關(guān)系到反應(yīng)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(jìn)行了廣泛的研究［3-4］，其中鎢及鎢合金由于具有高熔點(diǎn)、低濺射率、高熱傳導(dǎo)率以及很好的化學(xué)穩(wěn)定性，目前被認(rèn)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(qiáng)的He離子的轟擊可以使第一壁材料產(chǎn)生大量的缺陷，例如空位、間隙原子簇以及He泡等［6］，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部形成空洞，表面發(fā)生腫脹。這些缺陷會影響聚變反應(yīng)器的壽命和運(yùn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的演化，為推斷碳化鎢材料表面損傷提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)行拋光處理:先用研磨拋光機(jī)進(jìn)行機(jī)械拋光，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%NaOH溶液進(jìn)行電化學(xué)拋光，得到接近鏡面的樣品表面。對拋光后的碳化鎢樣品進(jìn)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(dǎo)電式原子力顯微鏡(CAFM)對輻照后的樣品進(jìn)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(diǎn)［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(dǎo)電針尖，針尖和碳化鎢樣品接觸，激光產(chǎn)生強(qiáng)的反射信號，通過AFM控制系統(tǒng)保持信號強(qiáng)度不變而實(shí)現(xiàn)恒定反射信號，在樣品和針尖之間施加一恒定偏壓，當(dāng)導(dǎo)電針尖以一定的頻率進(jìn)行掃描時(shí)，可以同時(shí)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(nèi)部缺陷導(dǎo)致的電子發(fā)射強(qiáng)度的變化，從電流圖像中可以看到電子發(fā)射強(qiáng)度的變化分析出樣品內(nèi)部缺陷的信息。這種方法可以直接對樣品表面微結(jié)構(gòu)和亞表層He泡的分布進(jìn)行比較。此外，將導(dǎo)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(dǎo)電機(jī)制的改變。

2 結(jié)果與討論

2.1 SRIM模擬計(jì)算

通過SRIM 2008軟件進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)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(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在注入深度接近He離子射程時(shí)，位移損傷達(dá)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(dá)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(shù)據(jù)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(yīng)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(biāo)記區(qū)域內(nèi)的放大，(c)圖為(b)圖標(biāo)記區(qū)域內(nèi)的放大，右邊的圖片是對應(yīng)的電流圖。CAFM測量采用的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電缺陷點(diǎn)，尺寸大約為十幾個(gè)納米。當(dāng)掃描尺寸在5 μm×5 μm和1 μm×1 μm時(shí)，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(guān)系，而當(dāng)掃描尺寸縮小到200 nm×200 nm時(shí)，可以看到形貌圖中出現(xiàn)很多納米量級的突起，這些突起和右邊電流圖中的導(dǎo)電缺陷點(diǎn)有對應(yīng)關(guān)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(shí)，碳化鎢樣品的導(dǎo)電性變差，這意味著室溫時(shí)He離子的注入導(dǎo)致碳化鎢樣品電阻率增大。當(dāng)溫度從25℃變化到600℃時(shí)，碳化鎢樣品的導(dǎo)電性明顯增強(qiáng)。納米級的缺陷點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度有著明顯的影響，當(dāng)輻照溫度升高時(shí)，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(dǎo)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(kuò)散速度越大，其中最重要的是向表面擴(kuò)散的速度，從而導(dǎo)致He滯留劑量降低，最終影響導(dǎo)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(jié)果討論

當(dāng)離子輻照在室溫下進(jìn)行時(shí)，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(dǎo)致?lián)p傷層中He原子的不均勻分布，碳化鎢的電導(dǎo)率σ可以通過下面的公式進(jìn)行計(jì)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(qiáng)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(dāng)He離子注入到碳化鎢樣品中會形成損傷，如產(chǎn)生空位及空位-He復(fù)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(dǎo)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(shí)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(zhì)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(dǎo)電的。

3 結(jié)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(kuò)散作用導(dǎo)致注入層納米級He泡的形成和生長，進(jìn)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(guān)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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