材料中界面对辐照产生缺陷具有湮灭作用，界面中的失配位错在这个过程中的作用和机制还不完全清楚，针对这一关键科学问题，我系付恩刚教授课题组与合作者在单晶MgO基片上制备了具有特定取向和特定结构的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络，并在实验上实时观测到了原位重离子辐照引入的位错环的非直接湮灭过程。原位离子辐照实验结合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“Stress of misfit dislocation at Fe/MgO interface drives the annihilation of radiation induced defects”（DOI:10.1016/j.actamat.2021.116798）为题在线发表于《Acta Materialia, 210 (2021) 116798》。该论文的第一作者为北京大学物理学院杜进隆博士；通信作者为北京大学物理学院付恩刚教授和核动力院王辉研究员。该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、北京大学测试基金、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重点实验、北京大学电子显微镜实验室和厦门大学能源学院核能研究所的大力支持。

图1. Fe(100)/MgO(100)界面的截面透射电镜（XTEM）图。(a) 从MgO[001]轴获取的 Fe/MgO(100)的明场XTEM 图像；(b) 相应的选区衍射(SAD)图案；(c) 对应的高分辨透射电镜（HRTEM）图，其中的插图是红色区域相应放大图片，显示位错的 Burgers 矢量。失配位错（misfit dislocations, MDs）平均间距约为5.3 nm；（d）沿 MgO[011]区轴观察的Fe/MgO(100)的HRTEM图像，未观察到失配位错

图2. 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) 当 g = MgO(020) 时，沿 [010] 排列的失配位错衬度消失；(d) 当 g = MgO(002) 时，沿 [001] 排列的失配位错衬度消失

图3. (a) 双束条件下g = MgO(002) 的明场PTEM图像；(b) 为图 (a) 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 4. 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5. (a) Fe/MgO界面应力分量σ₁₂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σ₁₂远大于相干区域的σ₁₂。(b) Fe/MgO界面处 b = 1/2a_Fe[111]位错的驱动力。它表明位错在界面应力场所受的力方向指向失配位错交点

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116798