He离子辐照碳化钨样品的实验研究

杨 杞，刘东平，范红玉，刘纯洁，袁 凯

(大连民族学院物理与材料工程学院，辽宁大连116605)

能源关系着人类社会的进步和发展，近年来，能源问题一直是世界各国关注的焦点，按照目前的消耗速度，传统能源在不久的将来就会枯竭，因此迫切需要新能源的替代。与传统能源相比，聚变能具有清洁和易采集的特点。国际热核实验反应堆(ITER)计划是通过国际合作加快核聚变研究开发的一个重要标志。在聚变装置中，面向等离子材料(Plasma Facing Materials，PFM)是一种非常重要的材料［1］，它承受从等离子体中发射出来的高能中子、电磁辐射和高能粒子的强烈作用［2］，直接关系到反应堆中等离子体的稳定性。大量的科研工作者对聚变堆面向等离子体材料进行了广泛的研究［3-4］，其中钨及钨合金由于具有高熔点、低溅射率、高热传导率以及很好的化学稳定性，目前被认为是最有可能成为第一壁材料的候选材料［5］。

聚变装置中，高能中子和高流强的He离子的轰击可以使第一壁材料产生大量的缺陷，例如空位、间隙原子簇以及He泡等［6］，从而导致材料内部形成空洞，表面发生肿胀。这些缺陷会影响聚变反应器的寿命和运行稳定性，增加第一壁材料中氘的滞留［7］。

本文研究了高能He离子辐照过程中，辐照温度对碳化钨材料表面损伤的作用，通过SRIM软件模拟了离子的注入深度，利用导电式原子力显微镜(CAFM)分析了多晶碳化钨样品在He离子辐照条件下微观结构的演化，为推断碳化钨材料表面损伤提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验中采用的辐照样品为多晶碳化钨(购于厦门金浦公司)，密度为14.45 g·cm-3，熔点为2 775℃;洛氏硬度为92.1 HRA，尺寸为10 mm×10 mm×2 mm。辐照前对样品进行抛光处理:先用研磨抛光机进行机械抛光，然后用质量分数为2%NaOH溶液进行电化学抛光，得到接近镜面的样品表面。对抛光后的碳化钨样品进行离子辐照，采用的He离子能量为100 keV，剂量为1.0×1017ions·cm-2，辐照温度变化范围为25～600℃。

1.2 方法

采用导电式原子力显微镜(CAFM)对辐照后的样品进行分析。与研究辐照损伤的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等传统方法相比，CAFM具有操作简单、对样品无损伤的优点［8］。CAFM的测量原理示意图如图1。

图1 CAFM工作原理示意图

CAFM与普通AFM的最大区别是其采用的针尖为Pt-Ir合金涂层的导电针尖，针尖和碳化钨样品接触，激光产生强的反射信号，通过AFM控制系统保持信号强度不变而实现恒定反射信号，在样品和针尖之间施加一恒定偏压，当导电针尖以一定的频率进行扫描时，可以同时获得样品的表面形貌和电流图像。电流图像反映的是辐照样品内部缺陷导致的电子发射强度的变化，从电流图像中可以看到电子发射强度的变化分析出样品内部缺陷的信息。这种方法可以直接对样品表面微结构和亚表层He泡的分布进行比较。此外，将导电针尖固定在某一特定区域，还可以得出这一区域的I-V曲线，用于分析样品导电机制的改变。

2 结果与讨论

2.1 SRIM模拟计算

通过SRIM 2008软件进行模拟计算，可以得到辐照后的碳化钨样品中He离子注入的深度分度及位移损伤。计算中采用的钨和碳的位移阈值能分别为25 eV和28 eV［9］。离子辐照引起的辐照损伤以及浓度分布随注入深度的变化如图2，从图3中可以看出，He离子注入引起的样品辐照损伤随注入深度呈现先增大后减小的变化趋势，在注入深度接近He离子射程时，位移损伤达到最大值4.3 dpa(displacement per atom)。He离子的浓度随深度也有先增大后减小的变化规律，在注入深度为260 nm左右浓度达到最大。

图2 He离子辐照引起的辐照损伤以及浓度分布随注入深度的变化

2.2 数据分析

不同扫描范围得到的辐照碳化钨样品表面形貌图像和电流图像如图3。辐照的温度为600℃，辐照离子剂量为1.0×1017ions·cm-2，图3中的(a)(b)和(c)分别对应扫描尺寸 5 μm ×5 μm、1 μm×1 μm和200 nm×200 nm。左边的图片是不同尺度下的形貌图，(b)图为(a)图标记区域内的放大，(c)图为(b)图标记区域内的放大，右边的图片是对应的电流图。CAFM测量采用的导电针尖偏压为 +3mV，在针尖上施加正偏压意味着电子从碳化钨样品发射到针尖，这样可以有效避免导电针尖的氧化。从图3中可以清晰地看到，电流图像中分布着大量的导电缺陷点，尺寸大约为十几个纳米。当扫描尺寸在5 μm×5 μm和1 μm×1 μm时，并不能看出左边的形貌图和右边的电流图存在明显的依赖关系，而当扫描尺寸缩小到200 nm×200 nm时，可以看到形貌图中出现很多纳米量级的突起，这些突起和右边电流图中的导电缺陷点有对应关系。

图3 不同扫描范围下碳化钨样品的形貌图与电流图

温度参数对He离子辐照碳化钨样品的影响如图4。左边的图片是表面形貌图，右边是对应的电流图。(a)图为未辐照的碳化钨样品，(b)到(e)图为He离子辐照的样品，对应的样品辐照温度分别为(b)25℃、(c)250℃、(d)400℃和(e)600℃。CAFM测量过程中采用的针尖偏压分别为(a)3.0 mV、(b)3.2 V、(c)3.0 mV、(d)3.0 mV和(e)3.0 mV。对比未辐照的样品，可以看到辐照温度为25℃时，碳化钨样品的导电性变差，这意味着室温时He离子的注入导致碳化钨样品电阻率增大。当温度从25℃变化到600℃时，碳化钨样品的导电性明显增强。纳米级的缺陷点在室温辐照的样品中并不明显，随着辐照温度的升高，这些缺陷点的尺寸和密度都明显变大。不同辐照温度下碳化钨样品的I-V曲线如图5。从图5中可以看出，辐照温度对碳化钨样品的电子发射强度有着明显的影响，当辐照温度升高时，电子发射的阈值明显下降。改变辐照温度明显影响材料导电性，这是由于提高温度明显改变He的渗入剂量，辐照温度越高，He原子在材料中扩散速度越大，其中最重要的是向表面扩散的速度，从而导致He滞留剂量降低，最终影响导电性。

图4 不同温度辐照样品的形貌图和电流图

图5 不同温度辐照样品的I-V曲线

2.3 结果讨论

当离子辐照在室温下进行时，He离子注入碳化钨样品的亚表层中俘获周围的电子变成He原子，He原子很容易被空位等缺陷捕获，这会导致损伤层中He原子的不均匀分布，碳化钨的电导率σ可以通过下面的公式进行计算:

式中，n为电子密度，q为电子电量，μ为电子迁移率，v为电子漂移速率，E为电场强度。其中电子漂移速率v表示的是电子在电场作用下移动的快慢，如果没有外加电场，则v的值为零。当He离子注入到碳化钨样品中会形成损伤，如产生空位及空位-He复合体，电子在移动的过程中受到阻碍，漂移速率v下降，这就解释了为什么室温辐照条件下电子发射阈值升高而导电性变差。He离子注入碳化钨样品形成的空位在温度升高时会发生热迁移，这种热迁移会有利于空位的聚集，通常杂质原子、缺陷和晶界都可以成为捕获的中心，从而形成小的纳米量级的He泡［10］。由于这种捕获在He泡的周围，He的浓度相对下降，所以在CAFM测量图片中纳米级的He泡是相对导电的。

3 结语

本文采用CAFM这种对样品无损伤的表征方法成功测量了不同温度条件下He离子辐照的碳化钨样品。注入样品中的掺杂He原子可以降低电子的漂移速率，从而引起碳化钨样品电子发射特性的变化。测量表明，样品中He原子的热扩散作用导致注入层纳米级He泡的形成和生长，进而在碳化钨样品的表面形成肿胀。He泡的尺寸和密度与辐照温度之间有着明显的依赖关系，随着辐照温度的升高，碳化钨样品的损伤程度加剧。

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