反应堆核材料长期服役性能下降甚至失效，是关乎核安全的头等大事。材料中引入界面是降低辐照损伤的有效策略和方法，但不同类型的界面在结构和性质上具有相当大的区别，因此，不同类型界面对辐照产生缺陷的湮灭能力和效率不同；开展不同类型界面对消除辐照损伤影响规律的研究、找出决定界面消除缺陷的决定因素，对理解和掌握界面消除缺陷的物理机制具有重要的作用和意义，是从原子尺度上通过调整界面来设计和发展具有高抗辐照性能核材料的必然选择。

针对这一关键科学问题，北京大学物理学院技术物理系付恩刚课题组与合作者，在单晶MgO基片上制备了具有特定取向和结构的Fe/MgO(100)半共格界面，在该界面上形成了互相垂直的界面失配位错网，并通过原位离子辐照实验实时观测到了辐照引入位错环的非直接湮灭过程。结合Fe/MgO(100)界面微观结构表征和理论模拟计算，发现Fe/MgO 界面周期性失配位错的应力场可驱动离子辐照引入的位错环劈裂并向界面处失配位错中心移动，从而促进辐照损伤的湮灭。这表明半共格界面的界面失配位错会增强其湮灭辐照损伤的能力。

相关研究成果以“Fe/MgO界面处的失配位错应力驱动辐照缺陷的湮灭”（Stress of misfit dislocation at Fe/MgO interface drives the annihilation of radiation induced defects）为题在线发表于Acta Materialia。北京大学物理学院杜进隆博士为第一作者，付恩刚和王辉为共同通讯作者。

论文原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421001786?via%3Dihub

图1 双束条件下平面透射电镜（PTEM）图像确定出界面失配位错网。(a) g = MgO(022) 的明场PTEM图像，可以观察到两组互相垂直的位错；(b) 相应的暗场图像；(c) g = MgO(002) 的明场PTEM图像； (d) 为图 (c) 中绿色框的放大图，可以清楚地观察到摩尔条纹和共格区域。

图 2 重离子原位辐照实时观测离子辐照缺陷的产生和消失过程。PTEM图像是g=MgO(002)双束条件下重离子辐照剂量为0.067 × 10¹⁴ cm^-2~0.100 × 10¹⁴ cm^-2时拍摄的视频录像截图。图中失配位错的Burgers矢量为 b=1/2a_Fe [011]。(a1-a3) 为剂量范围从0.067 × 10¹⁴ cm^-2到0.075 × 10¹⁴ cm^-2的重离子辐照时，在Fe/MgO界面附近产生缺陷簇，缺陷簇的直径约为5 nm。 (b1-b4) 失配位错捕获辐照缺陷的过程，离子的剂量范围从0.080 × 10¹⁴ cm^-2到0.10 × 10¹⁴ cm^-2。 (b1-b2) 缺陷簇分裂为两个分裂的缺陷簇并迁移到相邻的失配位错。(b3) 位于失配位错核心的分裂缺陷簇的湮灭，失配位错表现出自修复特性。(b4) 位于共格区域的分裂缺陷簇在辐照过程中保持稳定。

图3 (a) Fe/MgO界面应力分量的等值线图。 CR是Fe/MgO的共格区域。黑线为失配位错，失配位错的交点为MDI。发现MDI处的应力远大于相干区域的应力。(b) Fe/MgO界面处 b = 1/2a_Fe [111]位错的驱动力，表明位错在界面应力场所受的力方向指向失配位错交点。

此外，付恩刚课题组与合作者近几年针对界面辐照损伤机制这一关键问题开展了大量系统性研究：成功实现了在不同取向的单晶MgO基片上制备了具有特定取向的金属薄膜，并揭示决定界面两侧晶体取向关系的物理机制（Acta Materialia 64 (2014) 100）；在此基础上，揭示了界面共格性对界面失配位错网络的性质和特征的影响规律（Applied Surface Science 410 (2017) 585）；并进一步发现了晶格匹配度和界面键合强度方面对界面构型的影响机制（Scientific Reports 6 (2016) 33931）；这些系统性的研究成功实现了在单晶MgO和单晶Al2O3等陶瓷衬底制备出界面两侧晶体取向关系、界面共格性、界面失配位错网等结构可控的不同类型单晶金属薄膜，并揭示其机制。基于以上工作，开展了系统的离子辐照研究：界面消除辐照缺陷效率会依赖于界面两侧晶体取向关系（Nuclear Materials and Energy 26 (2021) 100913）；界面应力梯度一定程度上影响界面对辐照的捕获效率（Applied Surface Science 465 (2019) 1014）；提出了比较界面吸收缺陷效率和能力的新方法（Materials 12 (2019) 02628）等。

同时，提出了纳米多层膜金属/金属界面串并联电学性能模型和电学性能与单层膜厚度关系的修正模型，并据此揭示出其电阻率的物理机制（Acta Materialia 126 (2017) 294）；从表面散射、晶界散射、辐照缺陷、界面结构和界面对缺陷的吸收等方面考虑，确定了辐照后电阻率与单层膜厚的关系（Applied Surface Science 440 (2018) 396）；获得了单层铜膜中表面效应、界面散射和辐照缺陷等对薄膜电阻率变化的贡献和影响规律（Journal of Nuclear Materials 516 (2019) 297），这些工作将为使用电阻率快速衡量材料辐照损伤的方法提供重要的基础；建立了有限元模拟与原子力显微镜扫描残余压痕相结合的新方法，修正了纳米多层膜中使用的力学性能标准Oliver-Pharr模型（Materials Science and Engineering A 724 (2018) 60），揭示了不同界面类型应变率随单层膜厚和成分含量的变化规律（Scripta Materialia 162 (2019) 33）和金属/非晶多层膜材料优异力学性能的主要机制（Surface & Coatings Technology 353 (2018) 247）。

这些研究工作的主要完成者包括北京大学物理学院杜进隆博士、王佩佩博士、邱远航硕士、梁艳霞博士和2017级博士生陈华强等；合作者包括西安交通大学丁向东教授、中国石油大学于开元教授、上海交通大学刘悦研究员、厦门大学张建教授和北京大学王兴军教授等。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项、北京市自然科学基金、北京大学大型仪器开放测试基金、以及北京大学核技术应用实验室、北京大学核物理与核技术国家实验室、北京大学物理学院电子显微镜实验室和厦门大学能源学院核能研究所等的大力支持。