低能氦離子輻照對(duì)鎢和鉬材料的表面損傷作用

李 月 范紅玉 楊 銘 張義武 牛金海

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

低能氦離子輻照對(duì)鎢和鉬材料的表面損傷作用

李 月 范紅玉 楊 銘 張義武 牛金海

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

鎢和鉬材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射率等優(yōu)點(diǎn)成為國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃中面向等離子體材料的候選材料。因此研究鎢和鉬材料的輻照損傷行為對(duì)于認(rèn)識(shí)面向等離子體材料的輻照損傷機(jī)制具有重要意義。本文采用120 eV的 He+在873 K對(duì)鎢和鉬材料進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，利用納米壓痕儀與導(dǎo)電模式原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)相結(jié)合，原位比較了鎢和鉬材料在輻照前后的表面形貌、表面微結(jié)構(gòu)以及表層缺陷分布的變化特征。結(jié)果表明，低能He+輻照會(huì)導(dǎo)致鎢和鉬材料的近表面產(chǎn)生納米量級(jí)氦泡缺陷，這些氦泡缺陷的存在使得樣品表面產(chǎn)生絨毛或波浪狀結(jié)構(gòu)。納米壓痕深度分析和掃描電鏡的分析結(jié)果表明，低能He+輻照會(huì)對(duì)Mo材料產(chǎn)生明顯的刻蝕作用。本工作對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)低能氦離子輻照對(duì)面向等離子體材料的輻照損傷作用具有一定的科學(xué)參考意義。

輻照損傷，鎢，鉬，納米壓痕，導(dǎo)電原子力顯微鏡

高質(zhì)量數(shù)的W和Mo材料具有高熔點(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(Plasma Facing Materials, PFMs)的候選材料而被廣泛研究[1?3]。在聚變服役環(huán)境下，PFMs將遭受高通量的H同位素、He離子束以及14 MeV中子束的輻照導(dǎo)致PFMs中空位、間隙原子、位錯(cuò)環(huán)、He泡等缺陷的生成[4?5]。輻照誘導(dǎo)的缺陷生成會(huì)大大降低PFMs的性能[1,6]，嚴(yán)重危害了聚變裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。因此研究PFMs的輻照損傷機(jī)制，特別是研究低能氫氦離子作用下PFMs的輻照損傷行為具有重要意義。本文在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和搭建的材料輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上研究了120 eV He離子束對(duì)W、Mo PFMs的表面損傷作用，采用納米壓痕儀和導(dǎo)電模式原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)原位分析了樣品在輻照前后的表面形貌及表層缺陷分布特征。本工作對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)W、Mo材料的低能離子輻照損傷行為具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本文在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和搭建的材料輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(Materials Irradiation Experiment System, MIES)上進(jìn)行He離子束的輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)[7]。簡言之，He離子束由13.56 MHz的射頻離子源產(chǎn)生，在離子源的下端開設(shè)一直徑為1.0cm的小孔，He離子束由小孔中噴出并直接作用于W和Mo樣品表面。為減少樣品的內(nèi)部應(yīng)力和缺陷密度，對(duì)輻照前的W和Mo樣品進(jìn)行了真空（真空度約10?5Pa）退火處理，退火溫度為(1273±20)K，退火時(shí)間為1 h。對(duì)退火后的樣品進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中射頻放電功率為400 W，電感耦合的射頻反應(yīng)管中壓力約為10 Pa。在樣品上施加負(fù)偏壓?100 V，以加速離子運(yùn)動(dòng)，利用朗繆爾探針診斷此條件下等離子體電勢(shì)約為20 eV，因此，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的輻照離子能量約為120 eV。樣品底端采用激光加熱的方式，維持輻照時(shí)樣品溫度為873 K，輻照的離子劑量為1×1025ions·m?2，流強(qiáng)約為1021ions·m?2·s?1。

采用納米壓痕儀(Hysitron, TS-75)對(duì)W和Mo樣品進(jìn)行了標(biāo)記，納米壓痕儀加載的力分別為5 mN (W)和3 mN (Mo)。采用CAFM (Vecco, DI3100)原位分析樣品在壓痕標(biāo)記處的表面形貌和內(nèi)表面缺陷分布情況。CAFM采用曲率半徑約為5 nm的PtIr 針尖，掃描時(shí)施加的偏壓為?10 mV。CAFM測試在獲得樣品近表面電流分布圖像的同時(shí)，可以獲得與之對(duì)應(yīng)的樣品的表面形貌圖，而材料中輻照缺陷的形成會(huì)影響樣品表面的電子發(fā)射密度不同，從而改變電流分布圖像。利用CAFM的分析可以將同時(shí)獲得

的樣品形貌圖和電流分布圖進(jìn)行比較，得到輻照樣品近表面的輻照缺陷分布與表面微結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。這是一種靈敏度較高，且不破壞樣品的輻照缺陷表征方法[8?10]。同時(shí)也采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM, Hitachi S-4800)對(duì)輻照后的W和Mo樣品進(jìn)行表面形貌的分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢材料的納米壓痕標(biāo)記

采用納米壓痕的方式對(duì)W樣品進(jìn)行標(biāo)記，采用CAFM原位分析納米壓痕標(biāo)記附近的樣品表面形貌和缺陷分布在輻照前后的變化，如圖1所示，掃描尺寸為5 μm。圖1(a)、(c)中給出了納米壓痕標(biāo)記在輻照前后的形貌變化。輻照前樣品表面較平整，晶粒細(xì)小均勻，壓痕圖像清晰，形狀規(guī)則。輻照后樣品的表面粗糙度增加，壓痕形狀仍清晰可見。圖1(b)、(d)給出了輻照前后樣品表層的電流分布情況。從圖1(b)中可以看出，輻照前樣品上的電流點(diǎn)分布較少，說明輻照前樣品的表層缺陷較少。這些少量的缺陷可以成為He原子的捕獲井，使得He原子聚集并逐漸生長成較大尺寸的缺陷。輻照后樣品上的電流分布明顯增加，并呈現(xiàn)一個(gè)非常均勻的分布，如圖1(d)所示。

圖1 采用CAFM原位觀測納米壓痕標(biāo)記的鎢樣品在氦離子束輻照前后的表面形貌圖(a、c)和同時(shí)獲得的電流分布圖(b、d)Fig.1 In situ CAFM analysis of the surface morphology (a, c) and current (b, d) of W before and after He ions irradiation.

為進(jìn)一步表征輻照后樣品的缺陷分布特征，我們對(duì)輻照后樣品的納米壓痕標(biāo)記處(M)和非標(biāo)記處(N)的樣品進(jìn)行了高分辨率的小尺寸掃描，如圖2所示，掃描尺寸為1 μm。圖2(a)、(c) 分別對(duì)應(yīng)圖1中M（納米壓痕處）、N（非壓痕處）位置的表面形貌，可見樣品表面均出現(xiàn)了尺寸在10?20 nm、分布均勻的粒狀凸起顆粒。由圖2(b)、(d)可知，樣品內(nèi)表面缺陷成球狀均勻分布，且分布特征與形貌相對(duì)應(yīng)。在壓痕邊緣處的缺陷分布取向與壓痕的斜面一致，這進(jìn)一步說明樣品表面的凸起顆粒與表層的缺陷分布具有直接的關(guān)聯(lián)性。隨著He離子的不斷注入，He原子會(huì)在樣品內(nèi)部的空位、空洞等位置聚集，并逐漸長大，成為納米量級(jí)He泡缺陷，這些納米量級(jí)He泡會(huì)繼續(xù)吸引He的聚集，形成較大尺寸的He泡缺陷[7,11?14]。當(dāng)He泡內(nèi)壓力增長至大于表面屈服應(yīng)力時(shí)，樣品表面會(huì)向上凸起，導(dǎo)致表面腫脹等現(xiàn)象。

圖2 采用CAFM測得鎢樣品在納米壓痕標(biāo)記處(a)和非標(biāo)記處的形貌圖(c)和同時(shí)獲得的電流分布圖(b、d)Fig.2 CAFM analysis of surface morphology of W at identation marked zone (a) and the other zone (c), and the obtained current images (b, d) at the same time.

2.2 鉬材料的納米壓痕標(biāo)記

為對(duì)比W和Mo樣品在He離子束輻照后的表面損傷行為，也采用納米壓痕標(biāo)記的方式對(duì)Mo樣品進(jìn)行了原位分析，如圖3所示。圖3(a)、(c)給出了輻照前后Mo樣品標(biāo)記處的形貌變化，可以看出輻照前后Mo樣品的表面形貌變化較大。輻照前樣品表面清晰可見的壓痕標(biāo)記在輻照之后幾乎消失，樣品表面的晶粒形狀和尺寸也發(fā)生了較明顯的變化，這可能與樣品表面的刻蝕層脫落有關(guān)。圖3(b)、(d)給出了輻照前后Mo樣品的內(nèi)表面缺陷分布情況，與W的情況類似，輻照前Mo樣品的內(nèi)表面缺陷分布較少，輻照后Mo樣品內(nèi)表面的缺陷明顯增加，但是缺陷分布并不均勻，局部區(qū)域沒有缺陷分布。對(duì)壓痕處的形貌和缺陷分布情況進(jìn)行了小尺寸掃描，圖3(a)、(c)掃描尺寸為5 μm，圖3(e)掃描尺寸為1 μm。如圖3(e)、(f)所示，樣品表面出現(xiàn)明顯的凸起顆粒，顆粒分布均勻，尺寸為10?20 nm，與內(nèi)表面缺陷分布的特征一致，這進(jìn)一步說明，輻照后樣品表面微結(jié)構(gòu)的變化與內(nèi)表面缺陷的分布具有直接的關(guān)系。

2.3 納米壓痕深度分析

為進(jìn)一步分析He離子束對(duì)W、Mo等材料的刻蝕作用，對(duì)樣品輻照前后的壓痕深度進(jìn)行了分析。圖4給出了W和Mo樣品輻照前后的納米壓痕深度分析。從圖4(a)中可以看出，輻照前壓痕深度為162nm，輻照后壓痕深度為160 nm，說明W樣品表面幾乎不發(fā)生刻蝕現(xiàn)象；從圖4(b)中可以看出，輻照前壓痕深度為113 nm，輻照后壓痕深度為64nm，輻照后的壓痕深度相對(duì)于輻照前降低了43%，這給出了Mo樣品表面發(fā)生了刻蝕現(xiàn)象的直接證據(jù)。這也解釋了輻照后Mo樣品的表面形貌發(fā)生較大改變的原因，這是因?yàn)镸o的表面原子鍵合能(6.8 eV)要低于W (8.7 eV)，因此相同輻照條件下，Mo的表面原子更容易被濺射，發(fā)生刻蝕。

圖3 采用CAFM原位觀測納米壓痕標(biāo)記的鉬樣品在氦離子束輻照前(a)和輻照后的表面形貌圖(c、e)和同時(shí)獲得的電流分布圖(b、d、f)Fig.3 In situ CAFM analysis of the surface morphology of Mo before (a) and after (c, e) He ions irradiation, and the current images obtained at the same time (b, d, f).

圖4 鎢(a)、鉬(b)樣品輻照前后的納米壓痕深度分析Fig.4 Section analysis of W (a) and Mo (b) before and after irradiation.

2.4 掃描電鏡分析

采用SEM對(duì)輻照后W和Mo樣品的表面形貌進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CAFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，如圖5所示。輻照后W樣品表面出現(xiàn)了均勻的絨毛狀表面結(jié)構(gòu)，絨毛結(jié)構(gòu)在不同晶粒上按照一定的方向排列，可能與晶粒的取向有關(guān)。Mo樣品表面也出現(xiàn)了具有取向的波浪狀結(jié)構(gòu)。除此之外，輻照后的W樣品表面基本仍保持平整狀態(tài)，但是Mo樣品表面上出現(xiàn)了明顯的梯度層變化，這些梯度層的出現(xiàn)可以歸結(jié)于Mo樣品表面被刻蝕的結(jié)果。Mo樣品晶界處的波浪結(jié)構(gòu)更加突出，說明刻蝕首先從晶界處開始。大量研究也表明[15?18]，晶界作為晶體結(jié)構(gòu)的面缺陷，會(huì)成為He原子的捕獲井，單個(gè)He原子會(huì)不斷在捕獲井附近聚集，并形成納米量級(jí)的He泡缺陷，這些He泡缺陷的存在會(huì)繼續(xù)吸引更多的He原子遷移、聚集，并逐漸向晶面中心擴(kuò)散。在本實(shí)驗(yàn)過程中，樣品表面的刻蝕現(xiàn)象可能是由于納米尺寸He泡缺陷形成并逐漸長大，導(dǎo)致泡內(nèi)壓力劇增，當(dāng)泡壓超過樣品表面的屈服強(qiáng)度時(shí)，He泡沖破樣品表面，導(dǎo)致樣品的表皮脫落，產(chǎn)生刻蝕。

圖5 鎢和鉬輻照后樣品表面的掃描電鏡分析Fig.5 SEM analysis of W and Mo after irradiation.

3 結(jié)語

CAFM是一種可以直接對(duì)比樣品表面形貌和內(nèi)表面缺陷分布之間關(guān)系的方法。本文采用納米壓痕標(biāo)記和CAFM相結(jié)合的方法對(duì)低能He離子輻照的W、Mo的表面損傷特性進(jìn)行了原位分析。研究表明，低能He離子束輻照會(huì)對(duì)Mo樣品產(chǎn)生明顯的刻蝕現(xiàn)象。這主要是因?yàn)镸o的表面原子鍵合能要低于W，因此更容易發(fā)生表面濺射作用，導(dǎo)致刻蝕。輻照后的W和Mo樣品表面出現(xiàn)了納米尺寸的波浪狀結(jié)構(gòu)，且具有一定的方向性。CAFM分析表明這些表面微結(jié)構(gòu)的生成主要是由于納米尺寸He泡缺陷生成并向表面釋放內(nèi)部壓力，導(dǎo)致樣品表面腫脹，從而產(chǎn)生了納米尺寸的凸起。

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CLC TL62+7

Low-energy helium-ion irradiation on the surface damage of tungsten and molybdenum

LI Yue FAN Hongyu YANG Ming ZHANG Yiwu NIU Jinhai

(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Background: Due to their high melting point, high thermal conductivity, low sputtering yield, tungsten (W) and molybdenum (Mo) have been regarded as the potential candidates for plasma facing materials in fusion reactors. Purpose: This study aims to understand the irradiation damage behavior of W and Mo for the development of key fusion reactors materials. Methods: Polycrystalline W and Mo materials have been irradiated by 120-eV He ions with the irradiation temperature at 873 K. In situ analysis of these samples was carried out using nano-identation masked technique and non-destructive conductive atomic force microscopy (CAFM). The morphology, microscopic evolution and distribution of defects of these samples before and after irradiation are compared. Results: Analysis indicated that a large number of nanometer-sized helium bubbles were formed near the sample surface. Over-high internal pressure of nanometer-sized helium bubbles may result in forming protuberances of irradiated W and Mo. The section analysis of nano-identation showed that an obvious etching effect was founded on Mo materials. Conclusion: This work is of great significance for further understanding of the low-energy ion irradiation damage on plasma facing materials.

Irradiation damage, Tungsten, Molybdenum, Nano-identation, CAFM

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110201

國家自然科學(xué)基金(No.11405023)、遼寧省教育廳一般科研項(xiàng)目(No.L2014539)、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(No.G201512026041)和大連民族

大學(xué)“太陽鳥”學(xué)生科研項(xiàng)目(No.tyn2015315)資助

李月，女，1994年出生，現(xiàn)本科在讀，研究領(lǐng)域?yàn)椴牧陷椪論p傷

范紅玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2015-08-28，

2015-10-29