【基金標書】2010CB832900-高能離子束與物質(zhì)相互作用的微觀機理研究

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項目名稱： 高能離子束與物質(zhì)相互作用的微觀機理研究首席科學家： 肖國青 中國科學院近代物理研究所起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部門： 中國科學院一、研究內(nèi)容本項目的核心是通過建立和強化特殊現(xiàn)象效應與實驗條件的聯(lián)系，充分發(fā)現(xiàn)和利用不同物質(zhì)中離子束的行為與新現(xiàn)象，揭示離子束與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，為離子束及其相關技術 在新型能源、特殊材料、先 進信息等科學領域的重大應用提供科學支撐。擬解決的關鍵科學問題和主要研究內(nèi)容如下：科學問題一：離子束強激發(fā)產(chǎn)生高能量密度物質(zhì)的機理 特殊離子束在物質(zhì)中的能量和質(zhì)量沉積模式；高能、高電荷態(tài)離子與物質(zhì)作用過程中電荷態(tài)的瞬變行為；離子束瞬間高密度能量沉積引起的瞬間輻射現(xiàn)象和過程、物 質(zhì)微結構和性質(zhì)變 化及其探測。主要研究內(nèi)容：（1）高電荷態(tài)重離子束與不同復雜物質(zhì)體系（固體、稠密等離子體、納米結構或薄膜等）相互作用規(guī)律，以及物質(zhì)的結構效應、尺度效應、集體效 應對重離子電荷態(tài)、能量沉積及靶物質(zhì)電離與激發(fā)過程的影響。（2）物質(zhì)中強流離子束能量和質(zhì)量沉積的多粒子輸運過程及非線性效應理論和微觀模型。（3）離子束強激發(fā)產(chǎn)生的高能量密度狀態(tài)物質(zhì)以及瞬間輻射現(xiàn)象和過程、物質(zhì)微結構和性質(zhì)變化；離子束轟擊產(chǎn)生瞬時激勵信號的探測和實驗方法。（4）特殊粒子束與復雜物質(zhì)相互作用理論模型與計算機模擬，開發(fā)出離子束在不同物質(zhì)體系中能量沉積和輸運過程的模擬軟件?？茖W問題二：強離子輻照場下的物質(zhì)結構損傷離子輻照場下缺陷的產(chǎn)生及其演化規(guī)律；強離子輻照場下材料結構和性能演化機理；從原子尺度離子輻照缺陷的產(chǎn)生到宏觀尺度物質(zhì)結構損傷過程的建模與離子輻照損傷的多尺度模擬計算；離子輻照損傷探測新技術與方法。主要研究內(nèi)容：（1）離子輻照初級產(chǎn)生的缺陷，原子尺度上的缺陷行為，缺陷與缺陷、晶粒、晶界/界面區(qū)域等結構的相互作用機制。（2）強離子輻照損傷水平條件下，材料結構演變新現(xiàn)象以及強輻照損傷引起材料結構和性能演化的機理。（3）不同載能離子/粒子輻照損傷的等價關系， 環(huán)境因素（如溫度、磁場、電場等）對輻照損傷效應的影響。（4）探索從原子、介觀到宏觀尺度的離子輻照損傷演化過程以及相關物理模型之間的有機聯(lián)系，實現(xiàn)離子輻照損傷過程的多尺度的模擬計算，發(fā)展微納尺度離子輻照損傷探測新技術與方法。科學問題三：載能離子誘導微納結構演變及其控制微納結構物質(zhì)的載能離子輻照效應規(guī)律；載能離子與微納物質(zhì)結構體的相互作用機制；離子束誘導復雜物質(zhì)結構體微觀結構演變/ 相變機制與固體納米結構的形成理論；納米結構的晶格定向演化、精確摻雜以及結構的精細調(diào)控原理；固態(tài)相變計算機模擬及多尺度模型。主要研究內(nèi)容：（1）載能離子引起的納米材料的結構演變；微納結構物質(zhì)的載能離子輻照效應理論模型。（2）載能離子作用下固體納米結構的形成過程、機制與性能；建立固態(tài)相變計算機模擬及多尺度模型。 （3）特殊離子束處理與納米結構的晶格定向演化、精確摻雜以及結構的精細調(diào)控機理；構建載能離子作用下固體納米結構的形成理論。（4）新型微納結構的載能離子束制備，特別是尺度為幾nm-- 幾十nm 的結構的控制和制備。二、預期目標總體目標： 本項目將重點依托國家大科學工程－蘭州重離子加速器，聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢力量，針對載 能離子束與物質(zhì) 相互作用，特 別是微觀機理研究中尚未解決的重大科學問題， 在三個方面開展多 層次的綜合研究：1）離子束強激發(fā)產(chǎn)生高能量密度物質(zhì)的機理；2）強離子輻照場下的物質(zhì)結構損傷；3）載能離子誘導微納結構演變及其控制。研究課題將突出科學 問題的原創(chuàng)性，促 進與技 術創(chuàng)新的結合。通過本項目研究，揭示極端條件下離子束與物質(zhì)相互作用微觀物理機制，建立描述相關過程的科學理論和方法，使人們明晰如何實現(xiàn)離子束技術應用的新原理、新方法，對離子束與物質(zhì)相互作用的認識上一個臺階。力爭在 實驗和理論兩個方面取得標志性的成果， 培養(yǎng)一批從事相關領域研究的優(yōu)秀人才，使我國離子束與物質(zhì)相互作用研究整體上進入國際先進行列，占有重要的一席之地，為我國新型材料技術發(fā)展、信息和 新能源科學等國民經(jīng)濟和國家安全領域的重大需求奠定必要的實驗基礎，提供必要的理論依據(jù)和實驗證據(jù)。五年預期目標: （1）高能高電荷態(tài)離子引起物質(zhì)強電離激發(fā)過程研究：建立高能高電荷態(tài)離子與靶原子相互作用的微觀模型及實驗探測方法，研究高能高電荷態(tài)離子在物質(zhì)中電荷態(tài)的瞬變規(guī)律、能量沉積和輸運過程，以及靶物質(zhì)的電離和激化過程，為重離子束驅(qū)動聚變技術、離子束微 納制造技術及離子束輻照材料改性技術提供必要的理論支撐，并為這些技術的實際應用提供可能的實時監(jiān)測和控制技術的理論與實驗基礎。（2）瞬間高密度能量沉積引起的物態(tài)演化規(guī)律：利用蘭州重離子加速器等提供的強離子束，實驗研究離子束瞬間高密度能量沉積在固體中引起的效應的產(chǎn)生過程，揭示離子瞬間高密度能量沉積引起的物質(zhì)結構和性質(zhì)變化規(guī)律；探究離子聲學以及其它瞬間輻射等特殊物理現(xiàn)象；建立高能高密度離子束激勵產(chǎn)生的瞬時信號的探測技術和實驗方法；為國家在先進能源、國防、新材料技術等相關領域中的一些重大需求提供必要的理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。（3）微納尺度離子輻照損傷過程研究：緊密結合實驗數(shù)據(jù)和從頭計算方法，建立不同能量下、不同電荷態(tài)重離子和其它射線與分子、團簇等微納尺度物質(zhì)相互作用的微觀動力學模型；探索離子輻照初級產(chǎn)生的缺陷，原子尺度上的缺陷行為，缺陷與缺陷、晶粒、晶界/界面區(qū)域等結構的相互作用機制；建立微納尺度離子輻照損傷演化模型以及模擬計算程序；建立原子和分子尺度的離子輻照損傷探測新技術與方法。（4）強離子輻照引起材料損傷研究：揭示強離子輻照損傷水平條件下材料結構和性能演化的機理；揭示環(huán)境因素對材料，特別是核材料輻照損傷效應的影響，不同種類粒子輻照效應的特點、差異、相互之間 的聯(lián)系，建立不同載能粒子輻照損傷之間的等價關系，提供確認材料輻照損傷行為極限特性和達到改善性能的方法；實現(xiàn)從原子、介觀到到宏觀尺度的離子輻照損傷演化過程的多尺度計算機模擬計算，包括 ab initio，MD，KMC 等對典型微觀/介觀結構樣品的模擬方法以及各種模擬技術之間的銜接方法，為設計在裂變/聚變堆等極端環(huán) 境下應用的抗強輻射材料提供參考依據(jù)。（5）離子束誘導微納物質(zhì)相變機制研究：揭示載能離子作用下微納物質(zhì)的結構、性能及其控制規(guī)律；揭示粒子束與微納物質(zhì)作用過程及誘導相變機制；詮釋粒子束作用下微納材料中的一些新現(xiàn)象、新規(guī)律和新性能，獲得具有特殊性能的新型材料。建立載能離子作用下，固體納米結構的形成理論和復合金屬體系中固態(tài)相變的多尺度模型。（6）微納結構的載能離子制備、調(diào)控及其機理：揭示載能離子束驅(qū)動可控構建納米結構的機制，為粒子束調(diào)控、合成 納米結構新材料特別是半導體材料和光電功能材料提供理論依據(jù)；揭示不同劑量離子注入在不同半導體材料中形成納米尺度新結構、新材料的物理機制；建立利用離子束在納米尺度內(nèi)對材料結構進行精確調(diào)控的技術工藝方法，推動離子束技術在改進材料與新器件結構制備中的應用。（7）研究成果將發(fā)表高水平學術論文 300 篇以上，出版專著 1-3 部，申請國家發(fā)明專利 15 項以上；培養(yǎng)碩士和博士研究生 100 名以上，鑄就一支高水平的具有創(chuàng)新與攻堅能力的研究隊伍，形成若干個優(yōu)秀創(chuàng)新群體；建設本領域高水平的基礎研究和技術創(chuàng)新基地；提高在國際學術界的地位和活躍程度，進一步提升在國際合作中的地位。三、研究方案學術思路：面向國家重大需求，牽引離子束與物質(zhì)相互作用基礎研究：本項目將從重離子束驅(qū)動慣性約束聚變相關高能量密度物理、新一代核能系統(tǒng)材料評價篩選、微納結構精確調(diào)控、新型微 納結構的制備與調(diào)控等重大需求出發(fā)，針對所需的特殊離子束和實驗技術，來開展 離子束與物質(zhì)相互作用的基礎研究工作，重點探索特殊離子束作用下的新物理效應與現(xiàn)象，建立利用離子束快速評價核能材料的標準，尋 找微納結構的離子束精確調(diào)控途徑， 滿足未來先進離子束技術發(fā)展與應用的需求。通過學科互補，突破離子束技術應用：本項目涉及載能離子物理學、凝聚態(tài)物理學、原子物理學、光電子學、材料科學以及高能量密度物理、計算物理等學科。本項 目涉及的研究內(nèi)容在 單一學科的框架下很難解決，必須組織跨學科的隊伍，通過 學科交叉來解決問題 。為此，本項目從學科交叉的角度出 發(fā)，聯(lián)合了國內(nèi)的優(yōu)勢單位組成了跨學科的研究團隊，圍繞同一個目標來攻克離子束與物質(zhì)相互作用基礎研究以及應用中的關鍵科學問題。技術路線：本項目以解決離子束與物質(zhì)相互作用的關鍵科學問題為目標，理論、實驗和計算機模擬三者相結合，獲取基本數(shù)據(jù)，從不同層面描述離子束與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象和規(guī)律，揭示相關物理過程微觀機理， 發(fā)展和建立比較完善的離子束與物質(zhì)相互作用的理論，為我國未來先進離子束技術的發(fā)展提供基礎理論支撐。四、年度計劃第一年（1）改造及完善 HIRFL-CSR 等離子束裝置上的在束離子 輻照實驗條件，包括：離子束瞬間高密度能量沉積激勵產(chǎn)生的瞬時輻射探測以及應力波傳播、離子聲學等超快過程的在線實驗測量系統(tǒng)，高電荷態(tài)離子在表面碰撞過程的實驗測量系統(tǒng)，低溫至高溫條件下離子輻照靶室系統(tǒng)的控制及在線光學檢測等，電子學插件、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以及技術支撐條件。（2）利用高能高電荷態(tài)重離子和脈沖重離子等束流，實驗研究離子束在凝聚態(tài)物質(zhì)中的能量沉積和輸運過程，固體材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象，以及離子束流參數(shù)對它們的影響；基于 ab initio 等計算方法、半經(jīng)驗方法和實驗數(shù)據(jù)，開展初步的瞬間高密度能量沉積引起物質(zhì)結構和性質(zhì)演化的計算機模擬研究。（3）建立探測建立高電荷態(tài)離子與表面原子的碰撞模型、高能離子與凝聚態(tài)物質(zhì)和稠密等離子體相互作用的理論模型，高能重離子與微納尺度物質(zhì)原子的作用中，與靶原子核發(fā)生反應的微觀輸運理論模型等，并著手編制計算機模擬程序。（4）改造和完善全 γ 輻射測 量技術(TGRM)，并利用該技術完成鐵的快中子激發(fā)全 γ 輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鐵的（n，p）、 （n，a）反應的截面數(shù)據(jù)。（5）利用加速器提供離子束流輻照低放射活性合金、納米材料/復合材料、ODS 等材料，研究較大輻照位移損傷條件下，材料微觀結構的變化；構建低放射性合金（主要是晶界部分）、納米多層膜及微納顆粒樣品模型，開始用分子動力學方法模擬離子輻照下上述模型材料中缺陷的擴散與遷移，以及晶界對缺陷吸收等。（6）研究荷能離子作用下具有特殊性能的碳基新型準一維納米材料形成，探索離子在準一維碳納米管中的能量、質(zhì)量傳輸過程，碳納米結構的損傷與組織演變及其規(guī)律及控制。（7）利用離子束注入/輻照材料缺陷工程技術，研究缺陷控制和材料結構調(diào)制，探索新型半導體新材料合成和光電功能材料光波導制備的機理。第二年（1）完成上年度提出的離子輻照實驗條件和技術支撐條件改進與完善目標。（2）利用高能高電荷態(tài)重離子和脈沖重離子等束流，繼續(xù)進行離子束在凝聚態(tài)物質(zhì)中的能量沉積和輸運過程，固體材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象實驗研究；開展離子束瞬間高密度能量沉積激勵在凝聚態(tài)物質(zhì)中產(chǎn)生的瞬時應力波及其傳播行為、離子聲學等的第一輪在線實驗研究。（3）開展高電荷態(tài)離子在表面的碰撞過程實驗研究，確定入射離子的種類、入射能量和角度、表面原子種類對電離、激 發(fā)截面的影響；完善高電荷態(tài)離子與表面碰撞的 MC 模擬程序。（4）開展高能重離子束與氣體放電等離子體相互作用，特別是離子束在等離子體中的能損及其電荷態(tài)效應的研究；完善模擬高能離子在稠密等離子體中傳輸過程的二維 PIC/MC 數(shù)值模擬程序，初步研究非線性動力學極化效應對重離子能量沉積的影響，并與線性理論進行比較。（5）初步建立不同電荷態(tài)離子輻照下，原子、分子以及微納尺度物質(zhì)多電子發(fā)射理論模型、電子離子關聯(lián)動力學理論模型。（6）利用 TGRM 技術完成鈷核素的快中子激發(fā)全 γ 輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鈷的快中子（n，p）、 （n，a）截面數(shù)據(jù)。同時開始鐵、 鈷材料在快中子 輻照下的氫/氦脆化效應研究。（7）利用強離子輻照典型納米結構樣品及納米顆粒鑲嵌（如 ODS）樣品，研究材料中晶粒、晶界/界面區(qū)域等微 觀/介觀結構的穩(wěn)定性和隨輻照劑量（或 dpa）、溫度等條件的演化過程，并觀測輻照前后上述材料的微觀結構及力學等物性變化；繼續(xù)輻照缺陷的擴散與遷移，以及晶界對缺陷吸收的分子動力學模擬，探索多尺度模擬計算方法。（8）研究荷能離子束驅(qū)動相變的熱力學和動力學機理及小體系中與生長相關的熱力學和表面反應動力學，系統(tǒng)探索離子束驅(qū)動納米材料的結構演變及其對材料的宏觀性能的影響規(guī)律；利用微結構分析和多尺度模擬計算方法，進行離子束誘導固態(tài)相變過程及其機理研究，探索荷能粒子作用下微納結構物質(zhì)的輻照損傷理論模型、固體納米結構的形成理論。（9）準備項目中期評估。第三年（1）完成項目中期評估，并根據(jù)評估意見適當調(diào)整研究計劃。（2）在前兩年工作的基礎上，進一步優(yōu)化調(diào)整實驗方案，繼續(xù)進行高電荷態(tài)離子在表面的碰撞過程和高能高電荷態(tài)重離子束流與氣體放電等離子體相互作用的補充實驗研究。模擬高能離子在稠密等離子體中傳輸過程，系統(tǒng)地分析等離子體狀態(tài)參數(shù)（密度、溫度、粒子的種類等）及入射離子的參數(shù)（入射速度、入射角度）對極化過程及能量沉積的影響；模擬高能離子與微納結構物質(zhì)體系的相互作用過程，系統(tǒng)分析體系的結構效應（或尺度效應）對電激發(fā)過程及能量沉積的影響。（3）利用高能高電荷態(tài)重離子和脈沖重離子等束流，開展離子束瞬間高密度能量沉積在固體中產(chǎn)生的瞬時輻射和粒子發(fā)射現(xiàn)象實驗研究；繼續(xù)進行離子束在凝聚態(tài)物質(zhì)中的能量沉積和輸運過程，固體材料的局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象實驗研究，瞬間高密度能量沉積激勵在凝聚態(tài)物質(zhì)中產(chǎn)生的瞬時應力波及其傳播行為、離子聲學等的實驗研究，與已有的理論進行系統(tǒng)對比，嘗試建立沉積能量密度與物質(zhì)狀態(tài)的關系。（4）利用 TGRM 技術完成鈮核素的快中子激發(fā)全 γ 輻射測量和數(shù)據(jù)分析，進行鐵、鈷、鈮材料在快中子輻照下的氫/氦脆化效應研究。（5）完成聚合物輻照樣品的太赫茲時域光譜測量研究工作，提取離子徑跡在太赫茲波段和紫外可見波段的電光學性質(zhì)，與常規(guī)測量結果進行對比分析。（6）開展磁場與電場環(huán)境下的高能重離子輻照實驗，研究電、磁場環(huán)境下離子輻照損傷與材料，特別是核材料物性的關系；開展強流 He 離子及重離子輻照條件下材料中氦泡的形成與高 dpa 輻照損傷的關系研究；利用 MD 的方法，模擬研究照缺陷的擴散與遷移、晶界對缺陷吸收與晶粒/晶界的微觀結構關系。（7）研究高溫 H 等離子體作用下碳納米管的結構演 變過程和變化規(guī)律；研究碳基準一維類金剛石和金剛石納米材料的結構演變對材料的光電特性的影響。（8）探索快重離子輻照材料中光波導形成機理的微觀機制，研究氦離子注入納米孔缺陷調(diào)制新型半導體新材料合成機理。第四年（1）深入研究外加強磁場、強電場對高能離子在稠密等離子體中傳輸過程的影響，包括外加電磁場對等離子體極化效應、高能離子軌跡及能量沉積的影響；繼續(xù)模擬高能離子與微納結構物質(zhì)體系的相互作用過程，分析體系的結構效應（或尺度效應）對電激發(fā)過程及能量沉積的影響。（2）利用 HIRFL-CSR 提供的脈沖 調(diào)制高能重離子束流， 繼續(xù)開展離子束瞬間高密度能量沉積在固體中產(chǎn)生的瞬時輻射和粒子發(fā)射現(xiàn)象、離子聲學等實驗研究，嘗試建立物理模型；繼續(xù)實驗研究離子束瞬間高密度能量沉積引起的典型固體材料中局域損傷、狀態(tài)變化及結構相變現(xiàn)象，檢驗沉積能量密度與物質(zhì)狀態(tài)的關系；開展高密度能量沉積條件下靶物質(zhì)超快加熱和膨脹過程中的相關特性研究。與實驗工作配合， 繼續(xù)進行離子束瞬間高密度能量沉積引起的物質(zhì)結構和狀態(tài)演化的理論研究工作。應用建立起來的殼模型作大規(guī)模計算，模擬研究高能密度下材料物性與能量沉積密度的關系，期望能得到新的物理結果，解釋奇異的實驗現(xiàn)象。（3）利用 TGRM 技術完成鎳和釩核素的快中子激發(fā) 全 γ 輻射測量和數(shù)據(jù)分析，提取鎳和釩的快中子（n，p）、 （n，a）截面數(shù)據(jù)。同時進行鎳、釩材料在快中子輻照下的氫/氦脆化效應研究。（4）完成單晶硅和 GaAs 輻照樣品的太赫茲時域光譜測量研究工作，提取離子徑跡在太赫茲波段和紫外可見波段的電光學性質(zhì)，同時探索利用離子輻照單晶硅和 GaAs 樣品制備太赫茲發(fā)射晶體的可行性（5）繼續(xù)開展不同離子種類及能損的離子輻照實驗，研究材料輻照損傷與離子種類等離子參數(shù)的關系，材料中在晶粒、晶界/界面區(qū)域等微觀結構附近氦泡的形成機制及其演化過程，微觀/介觀結構及輻照劑 量（或 dpa）、溫度等條件對缺陷遷移、復合及吸收的影響；開展多尺度模擬工作。（6）利用離子輻照，研究準一維硅納米線中荷能粒子作用下的能量、質(zhì)量傳輸過程；探討硅納米結構的損傷與組織演變及其規(guī)律；研究荷能離子作用下具有特殊性能的硅基新型準一維納米材料形成過程、規(guī)律、機制及控制。（7）繼續(xù)探索快重離子輻照材料中光波導形成機理的微觀機制與應用，研究離子注入新型應變材料合成機理。第五年（1）系統(tǒng)分析、整理實驗及模擬結果， 總結高能、高電荷態(tài)離子在物質(zhì)中產(chǎn)生的強電離、強激發(fā)的物理規(guī)律，瞬 間高密度能量沉積引起的物質(zhì)結構和性質(zhì)變化規(guī)律，離子聲學以及其它瞬間輻射現(xiàn)象和過程，揭示微觀機理。（2）嘗試利用低溫單晶固體、泡沫材料等作靶，研究高能強流離子束轟擊引起的靶物質(zhì)超快加熱、膨脹及壓力波運動等超快過程。（3）采用建立的微觀動力學模型，在微納尺度系統(tǒng)深入研究固體中離子束輻照效應以及元素摻雜的影響，同時探討利用太赫茲時域光譜技術研究微納尺度物質(zhì)輻照性質(zhì)的微觀機理。（4）完成強離子輻照核材料的實驗工作，清晰認識材料中氦泡的形成與高 dpa 輻照損傷的關系，以及在晶粒、晶界/界面區(qū)域等微觀結構附近氦泡的形成機制及其演化過程；在實驗與理論模擬研究的基礎上，提出優(yōu)化晶界及微觀結構、實現(xiàn)一定程度自修復工作的核材料的設計方案。（5）研究荷能粒子束驅(qū)動相變的熱力學和動力學機理及小體系中與生長相關的熱力學和表面反應動力學，系統(tǒng)探索離子束驅(qū)動納米材料的結構演變及其對材料的光電響應特性、氣體傳感特性和場電子發(fā)射性能的影響，實現(xiàn)對硅基準一維功能納米結構以及新型 SiGe 應變材料、光波導材料結構和性能的精細調(diào)控。（6）將不同方法的模擬軟件進行集成，開發(fā)出一個能夠較為全面模擬高能、高電荷態(tài)離子與物質(zhì)相互作用過程的軟件平臺。（7）基 于 前 期 的 工 作 基 礎 及 面 臨 的 問 題 （設 備 建 設 問 題 及 發(fā) 現(xiàn) 的 新 物 理 問 題 ），提 出 解 決 方 案 ，確 定 下 一 個 研 究 計 劃 ，使 此 研 究 項 目 可 持 續(xù) 發(fā) 展 。（8）對 項 目 進 行 全 面 總 結 ，完成項目驗收工作。