重离子辐照一维纳米材料研究获进展

荷能重离子与宏观块体材料相互研究已开展多年，研究成果广泛应用于材料改性、核材料抗辐射评估以及电子元器件加固等领域。当块体材料尺寸缩小至纳米量级时，其声学、电磁学、热力学及光学等性质均会发生明显变化，这导致在相同的辐照条件下，纳米材料的辐照效应将与块体材料有所不同。为研究金属纳米材料的辐照损伤效应，中国科学院近代物理研究所材料研究中心科研人员以重离子径迹模板法制备的一维纳米材料——金纳米线为研究对象，深入开展了重离子与一维纳米材料相互作用的研究，揭示了重离子辐照一维纳米材料的基本物理过程和损伤机制。
　　
研究人员利用近代物理所 320kV 高电荷态离子综合实验平台提供的重离子对不同直径的金纳米线进行辐照，借助扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对辐照前后的金纳米线形貌和结构进行表征和分析，系统研究了重离子对金纳米线的辐照损伤效应。研究发现，重离子辐照可在纳米线表面产生三类具有不同形貌的弹坑状结构，且不同形貌的弹坑结构与重离子在纳米线中引发热峰的位置直接相关。当热峰发生在纳米线表面下几个原子层厚度时，热峰中熔融的金会通过塑性流动吸附在纳米线表面，形成火山口形结构；而当热峰出现在距离表面较深的位置时，熔融的金体积膨胀将产生巨大的压力使热峰所在区域发生微爆炸，导致熔融的金喷发。当喷发金的动能小于纳米线的表面吸附能时，将会吸附在纳米线上形成带突起颗粒的弹坑；反之，则形成没有突起颗粒的弹坑。同时，在金纳米线周围观察到大量溅射出的金纳米颗粒，发现溅射颗粒的平均尺寸随纳米线直径增大而增加。此外，研究人员研究了重离子辐照对金纳米线晶体结构的影响，通过 HRTEM 观察到大量的层错四面体结构（SFT），并给出金纳米线中 SFT 尺寸分布和入射离子核能损之间的关系。
　　
此项研究把重离子辐照研究对象由宏观块体材料扩展到一维纳米材料，揭示了基于纳米材料的重离子辐照新特性。研究工作得到了国家自然科学基金和中科院青年创新促进会的支持。