中科院合肥研究院固體物理所內(nèi)耗與固體缺陷研究部劉長松研究員課題組與麥吉爾大學(xué)宋俊合作，在金屬中的孔洞缺陷行為研究中取得重要進(jìn)展，創(chuàng)建了能夠準(zhǔn)確預(yù)測體心立方金屬中納米孔洞結(jié)構(gòu)與能量的物理模型，為金屬材料的輻照損傷提供了尋求已久的關(guān)鍵認(rèn)知。相關(guān)結(jié)果為理解輻照缺陷演化，以及設(shè)計(jì)新型抗輻照材料提供了可靠的理論基礎(chǔ)和工具。該研究結(jié)果以“Accurate prediction of vacancy cluster structures and energetics in bcc transition metals”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Acta Materialia上，侯捷博士為第一作者。
納米孔洞作為金屬的本征缺陷之一，廣泛存在于塑性變形、高溫、高能粒子輻照等各類服役環(huán)境下。這些納米孔洞對金屬材料的諸多性質(zhì)（例如合金元素偏析、孔洞腫脹、斷裂、氫氦氣泡形核等）起著決定性的影響。為了調(diào)控這些性質(zhì)，理解納米孔洞的基本性質(zhì)顯得至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)上對納米尺寸缺陷的觀測能力十分有限，而現(xiàn)有的計(jì)算模擬也受到準(zhǔn)確性或計(jì)算效率的限制。因此，如何確定納米孔洞的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及能量仍然是個(gè)難題。在這項(xiàng)研究中，研究人員通過系統(tǒng)的密度泛函理論（DFT）計(jì)算，針對體心立方金屬體系，找到了納米孔洞的結(jié)構(gòu)-能量關(guān)系，并建立起了一個(gè)新的物理模型來預(yù)測納米孔洞的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及能量。
首先，研究者篩查了大量不同結(jié)構(gòu)的納米孔洞，并通過DFT計(jì)算，獲得了這些結(jié)構(gòu)對應(yīng)的形成能。如圖1所示，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米孔洞具有最小的Wigner-Seitz表面積時(shí)，它對應(yīng)的形成能幾乎總是最低（最穩(wěn)定）的。并且，這些穩(wěn)定納米孔洞的形成能與其Wigner-Seitz表面積之間呈現(xiàn)出非常理想的線性關(guān)系。基于這一線性關(guān)系，研究人員能夠準(zhǔn)確的預(yù)測納米孔洞的形成能，并進(jìn)一步推導(dǎo)出納米孔洞-空位結(jié)合能的模型公式。根據(jù)這一模型可以推測，納米孔洞對空位之間的結(jié)合能，會與結(jié)合該空位所帶來的Wigner-Seitz表面積增長( ？SVn WS )成線性關(guān)系。圖2中給出了模型預(yù)測值與實(shí)際DFT計(jì)算所得結(jié)合能之間的對比，二者之間良好的吻合也驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。
如圖3所示，根據(jù)DFT計(jì)算，隨著尺寸的增長，納米孔洞對空位的結(jié)合能整體上增大，但其數(shù)值呈現(xiàn)出劇烈的波動。這些結(jié)合能的波動來自于？SVn WS 的波動，例如V15孔洞結(jié)構(gòu)緊湊，相對V14孔洞而言表面積增長很小(？SV15WS = 0.5 a20)，因此對應(yīng)的結(jié)合能較大(EV15b = 2.47 eV)。但由于V15孔洞的閉殼層結(jié)構(gòu)，后續(xù)空位只能以凸起形式結(jié)合在表面，相應(yīng)的表面積增長自然很大(？SV16 WS= 1.55 a20)，對應(yīng)的結(jié)合能就較小(EV16b = 0.88 eV)。這里還給出了文獻(xiàn)中廣泛使用的球形近似模型對結(jié)合能的預(yù)測，由于球形近似忽略了具體的原子結(jié)構(gòu)，其預(yù)測結(jié)果與DFT值相差較大，而新建立的模型則很好的預(yù)測出了DFT觀測到的波動。由于結(jié)合能是研究納米孔洞的重要參數(shù)，對結(jié)合能的準(zhǔn)確描述是預(yù)測納米孔洞演化的基礎(chǔ)。圖4給出了納米孔洞高溫退火的對象動力學(xué)蒙特卡洛（OKMC）模擬結(jié)果，可以看出基于新模型的OKMC模擬結(jié)果，與基于DFT的OKMC模擬以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均較為吻合，相比傳統(tǒng)的球形近似模型體現(xiàn)出較大優(yōu)勢。
這項(xiàng)研究解決了長期以來無法準(zhǔn)確描述和預(yù)測納米孔洞的結(jié)構(gòu)與能量的基本問題，并建立了相應(yīng)的定量物理模型，為金屬材料的輻照損傷提供了尋求已久的關(guān)鍵認(rèn)知。這些金屬材料可以用在裂變發(fā)電站以及未來聚變反應(yīng)堆當(dāng)中，為解決能源危機(jī)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
該研究工作得到國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1. V1-V7 納米孔洞在 W (a), Mo (b), Ta (c),以及 α-Fe (d)中的形成能隨Wigner-Seitz表面積SWS的變化。 其中a0 為相應(yīng)的晶格常數(shù)。實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)代表最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，空心點(diǎn)為亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
圖2. V2-V20 納米孔洞在 W (a), Mo (b), Ta (c) ,以及 α-Fe (d)中的空位結(jié)合能與Wigner-Seitz表面積變化？SVnWS之間的關(guān)系。 其中a0 為相應(yīng)的晶格常數(shù)。數(shù)據(jù)點(diǎn)代表DFT計(jì)算結(jié)果，直線為模型預(yù)測結(jié)果。
圖3. W中納米孔洞的空位結(jié)合能(a)以及Wigner-Seitz表面積變化？SVnWS (b)隨納米孔洞尺寸n的變化。 其中a0 為相應(yīng)的晶格常數(shù)，n為納米孔洞中包含的空位個(gè)數(shù)。圖中給出了DFT計(jì)算值（紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)）、模型預(yù)測值（綠色數(shù)據(jù)點(diǎn)）、以及傳統(tǒng)球形近似模型預(yù)測值（藍(lán)色實(shí)線）的比較。
圖4. 1373K下納米孔洞平均尺寸(a)以及密度(b)隨退火時(shí)間的變化的OKMC模擬。紅點(diǎn)為文獻(xiàn)中給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，藍(lán)線為基于傳統(tǒng)球形近似的模擬結(jié)果，綠線為基于新預(yù)測模型的模擬結(jié)果，陰影區(qū)域代表相應(yīng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。
