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理应不同，开展不同类型和结构的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。
付恩刚教授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基片上具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质《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生长机制。基于上述工作，开展了系统的离子辐照研究。研究结果包括：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》；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》，这些工作为使用电阻率快速衡量材料辐照损伤的方法提供了重要的基础。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》等。最近，经过探索，成功制备出了具有自由表面的纳米多孔结构和纳米多层膜界面结构相结合的纳米多孔多层膜新结构材料《Coatings 11 (2021) 1187》。
上述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、胡召一博士、梁艳霞博士、2017级博士生陈华强和2019级博士生王宇飞等；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、核物理与核技术国家重点实验室、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。
图1. Nb/MgO(100)界面结构。（a）截面透射电镜图；（b）选区电子衍射；（c）高分辨透射电镜图；
（d）第一性原理计算Nb/MgO（100）界面电子态密度差分图（Acta Materialia, 64 (2014) 100，Applied Surface Science 410 (2017) 585）
图2. 左图为金属Nb和Nb薄膜在50 keV氦离子辐照6×1016 cm-2剂量后的透射电子显微镜照片；
右图为金属Nb和Nb薄膜中氦泡密度就随着辐照深度变化对比图和晶格应变随到界面距离的变化图(Applied Surface Science, 465 (2019) 1014)
图3. 纳米压痕方法在纳米多层膜中使用的力学性能标准Oliver-Pharr模型硬度测量模型修正。
（a）原子力显微镜测量纳米压痕实验残余压痕形貌；
（b）修正后的纳米压痕硬度与Nix-Gao模型结果对比（Materials Science and Engineering A 724 (2018) 60）
图4. 电学方法表征金属纳米多层膜材料辐照损伤。（a-d）不同单层膜厚Cu/V金属纳米多层膜截面透射电镜图；
（e）电阻率随单层膜厚度变化曲线及相应的辐照引起的电阻率改变（Acta Materialia 126 (2017) 294）
上述研究工作请参考以下通讯作者学术论文：
J.L. Du, H.Q. Chen, C. Xu, et al. Acta Materialia 210 (2021) 116798
P.P. Wang, X.J. Wang, J.L. Du, et al. Acta Materialia 126 (2017) 294
E.G Fu, Y. Fang, M.J. Zhuo, et al. Acta Materialia, 64 (2014) 100;
J.L. Du, J. Zhang, E.G. Fu, et al. Applied Surface Science 465 (2019) 1014
J.L. Du, L.Y. Zhang, E.G. Fu, et al. Applied Surface Science 410 (2017) 585；
P.P. Wang, C. Xu, E.G. Fu, et al. Applied Surface Science 440 (2018) 396
P.P. Wang, Y.X. Liang, C. Xu, et al. Journal of Nuclear Materials 516 (2019) 297
H.Q. Chen, J.L. Du, Y.X. Liang, et al. Materials 12 (2019) 02628
Y.H. Qiu, Q. Bai, E.G. Fu, et al. Materials Science and Engineering A 724 (2018) 60
J.L. Du, H.Q. Chen, Z.M. Wu, et al. Nuclear Materials and Energy 26 (2021) 100913
J.L. Du, Y. Fang, E.G. Fu, et al. Scientific Reports 6 (2016) 33931
Y. Liu, K.M. Yang, J. Hay, et al. Scripta Materialia 162 (2019) 33
Z. Chen, Z. Ma, K.Y. Yu, et al. Surface & Coatings Technology 353 (2018) 247
Y.F. Wang, S.L. Zhang, Z.F. Wu, et al. Coatings 11 (2021) 1187
