反應堆核材料長期服役性能下降甚至失效，是關乎核安全的頭等大事。材料中引入界面是降低輻照損傷的有效策略和方法，但不同類型的界面在結構和性質上具有相當大的區别，因此，不同類型界面對輻照産生缺陷的湮滅能力和效率不同；開展不同類型界面對消除輻照損傷影響規律的研究、找出決定界面消除缺陷的決定因素，對理解和掌握界面消除缺陷的物理機制具有重要的作用和意義，是從原子尺度上通過調整界面來設計和發展具有高抗輻照性能核材料的必然選擇。

針對這一關鍵科學問題，beat365官方网站技術物理系付恩剛課題組與合作者，在單晶MgO基片上制備了具有特定取向和結構的Fe/MgO(100)半共格界面，在該界面上形成了互相垂直的界面失配位錯網，并通過原位離子輻照實驗實時觀測到了輻照引入位錯環的非直接湮滅過程。結合Fe/MgO(100)界面微觀結構表征和理論模拟計算，發現Fe/MgO 界面周期性失配位錯的應力場可驅動離子輻照引入的位錯環劈裂并向界面處失配位錯中心移動，從而促進輻照損傷的湮滅。這表明半共格界面的界面失配位錯會增強其湮滅輻照損傷的能力。

相關研究成果以“Fe/MgO界面處的失配位錯應力驅動輻照缺陷的湮滅”（Stress of misfit dislocation at Fe/MgO interface drives the annihilation of radiation induced defects）為題在線發表于Acta Materialia。beat365官方网站杜進隆博士為第一作者，付恩剛和王輝為共同通訊作者。

論文原文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421001786?via%3Dihub

圖1 雙束條件下平面透射電鏡（PTEM）圖像确定出界面失配位錯網。(a) g = MgO(022) 的明場PTEM圖像，可以觀察到兩組互相垂直的位錯；(b) 相應的暗場圖像；(c) g = MgO(002) 的明場PTEM圖像； (d) 為圖 (c) 中綠色框的放大圖，可以清楚地觀察到摩爾條紋和共格區域。

圖 2 重離子原位輻照實時觀測離子輻照缺陷的産生和消失過程。PTEM圖像是g=MgO(002)雙束條件下重離子輻照劑量為0.067 × 10¹⁴ cm^-2~0.100 × 10¹⁴ cm^-2時拍攝的視頻錄像截圖。圖中失配位錯的Burgers矢量為 b=1/2a_Fe [011]。(a1-a3) 為劑量範圍從0.067 × 10¹⁴ cm^-2到0.075 × 10¹⁴ cm^-2的重離子輻照時，在Fe/MgO界面附近産生缺陷簇，缺陷簇的直徑約為5 nm。 (b1-b4) 失配位錯捕獲輻照缺陷的過程，離子的劑量範圍從0.080 × 10¹⁴ cm^-2到0.10 × 10¹⁴ cm^-2。 (b1-b2) 缺陷簇分裂為兩個分裂的缺陷簇并遷移到相鄰的失配位錯。(b3) 位于失配位錯核心的分裂缺陷簇的湮滅，失配位錯表現出自修複特性。(b4) 位于共格區域的分裂缺陷簇在輻照過程中保持穩定。

圖3 (a) Fe/MgO界面應力分量的等值線圖。 CR是Fe/MgO的共格區域。黑線為失配位錯，失配位錯的交點為MDI。發現MDI處的應力遠大于相幹區域的應力。(b) Fe/MgO界面處 b = 1/2a_Fe [111]位錯的驅動力，表明位錯在界面應力場所受的力方向指向失配位錯交點。

此外，付恩剛課題組與合作者近幾年針對界面輻照損傷機制這一關鍵問題開展了大量系統性研究：成功實現了在不同取向的單晶MgO基片上制備了具有特定取向的金屬薄膜，并揭示決定界面兩側晶體取向關系的物理機制（Acta Materialia 64 (2014) 100）；在此基礎上，揭示了界面共格性對界面失配位錯網絡的性質和特征的影響規律（Applied Surface Science 410 (2017) 585）；并進一步發現了晶格匹配度和界面鍵合強度方面對界面構型的影響機制（Scientific Reports 6 (2016) 33931）；這些系統性的研究成功實現了在單晶MgO和單晶Al2O3等陶瓷襯底制備出界面兩側晶體取向關系、界面共格性、界面失配位錯網等結構可控的不同類型單晶金屬薄膜，并揭示其機制。基于以上工作，開展了系統的離子輻照研究：界面消除輻照缺陷效率會依賴于界面兩側晶體取向關系（Nuclear Materials and Energy 26 (2021) 100913）；界面應力梯度一定程度上影響界面對輻照的捕獲效率（Applied Surface Science 465 (2019) 1014）；提出了比較界面吸收缺陷效率和能力的新方法（Materials 12 (2019) 02628）等。

同時，提出了納米多層膜金屬/金屬界面串并聯電學性能模型和電學性能與單層膜厚度關系的修正模型，并據此揭示出其電阻率的物理機制（Acta Materialia 126 (2017) 294）；從表面散射、晶界散射、輻照缺陷、界面結構和界面對缺陷的吸收等方面考慮，确定了輻照後電阻率與單層膜厚的關系（Applied Surface Science 440 (2018) 396）；獲得了單層銅膜中表面效應、界面散射和輻照缺陷等對薄膜電阻率變化的貢獻和影響規律（Journal of Nuclear Materials 516 (2019) 297），這些工作将為使用電阻率快速衡量材料輻照損傷的方法提供重要的基礎；建立了有限元模拟與原子力顯微鏡掃描殘餘壓痕相結合的新方法，修正了納米多層膜中使用的力學性能标準Oliver-Pharr模型（Materials Science and Engineering A 724 (2018) 60），揭示了不同界面類型應變率随單層膜厚和成分含量的變化規律（Scripta Materialia 162 (2019) 33）和金屬/非晶多層膜材料優異力學性能的主要機制（Surface & Coatings Technology 353 (2018) 247）。

這些研究工作的主要完成者包括beat365官方网站杜進隆博士、王佩佩博士、邱遠航碩士、梁豔霞博士和2017級博士生陳華強等；合作者包括西安交通大學丁向東教授、中國石油大學于開元教授、上海交通大學劉悅研究員、廈門大學張建教授和beat365王興軍教授等。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家磁約束核聚變能發展研究專項、北京市自然科學基金、beat365大型儀器開放測試基金、以及beat365核技術應用實驗室、beat365核物理與核技術國家實驗室、beat365官方网站電子顯微鏡實驗室和廈門大學能源學院核能研究所等的大力支持。