作者介绍

• 通讯作者简介

潘必才，教授，博士生导师，中国科学技术大学物理系。

• 第一作者简介

付照中，博士生，中国科学技术大学物理系在读研究生。

文章导读

聚变堆在正常运行时具有温度高达1亿度的等离子体。由黑体辐射理论可知，如此的高温等离子体会持续地向外辐射高能光子 (例如x射线)。这些高能光子激发第一壁材料中的电子，使得材料处于电子激发态。另一方面，聚变堆的第一壁钨 (W) 材料中含有氦 (He) 原子和多种多样的结构缺陷。这些杂质原子与结构缺陷的相互作用十分复杂。而当材料处于电子激发态时，这些杂质与结构缺陷的相互作用更是一个未解之谜。

中国科学技术大学潘必才教授团队在 Materials 期刊发表的文章 (Electronically Temperature-Dependent Interplay between He and Trivacancy in Tungsten Plasma-Facing Materials) ，报道了他们利用W-He紧束缚势模型 (TB) 深入研究电子激发状态下He原子与三原子空位缺陷 (记为V3) 的相互作用规律。研究团队发现，当He原子接近第一壁W材料中的V3缺陷时，He原子扮演了催化剂的角色。具体而言，它们能够诱导V3缺陷的分解，形成单空位和双空位缺陷，或转变为不同构型的V3。这一现象背后的物理机制在于，He原子的介入引发了V3内壁W原子上电子电荷的重排，其中，He原子相邻的W原子呈现了阳离子性，而其余的W原子则表现出阴离子性，它们之间产生了强烈的静电吸引力，从而促进了V3的分解或结构形变。作者进一步发现，随着体系的电子激发的增强，V3内壁W原子的阳离子性显著地增强，同时也促使原本是阴离子化的W原子逐渐转变为阳离子。这一转变导致这些离子间的静电相互作用从原来的吸引逐渐转变为排斥，从而在一定程度上抑制了V3的进一步分解和变形。

研究过程与结果

作者采用了一个包含1458个钨原子 (W) 的9×9×9立方超胞模型，以模拟完美的W系统，并在其中创建了一个三空位缺陷。为了探究V3对He原子的捕获能力，作者在超胞内的不同四面体位置分别放置He原子，并计算了相应的捕获能。结果表明，V3对He原子的捕获区域的半径约为8 Å，且随着电子温度的升高，该区域略有扩展，捕获能也显著增加。

作者进一步分析了V3与He原子相互作用导致的局部结构的变化。如图1所示，当He原子靠近V3时，V3内壁上的W原子发生显著的电荷重排，He原子最近邻的W原子呈现阳离子特性，而其他W原子则变为阴离子。两者之间产生了强烈的静电相互吸引作用，这促进了V3分解为单空位和双空位或转变为其他构型。特别是在电子激发态下，随着电子温度的升高，He原子近邻的V3内壁上W的阳离子性逐渐增强，而其它原本阴离子化的W原子逐渐转化为阳离子 (如图2所示)。因此，这些离子间的静电相互作用由原来的吸引变为排斥作用，这在一定程度上抑制了V3的分解和变形。

图1. (a) 没有加入He原子时，V3内壁上各W原子d轨道电子电荷的变化。当He原子加入到V3内壁上的 (b) #2 W以及 (c) #3 W附近时，V3内壁上各W原子d轨道电子电荷的变化。

图2. (a) 当He原子加入到V3内壁上#2 W原子附近时，随着电子激发的增强，V3内壁上#2 W原子 (蓝色线) 以及V3内壁上其它W原子 (红色线) 的d轨道电子电荷的变化。(b) 当He原子加入到V3内壁上#3 W原子附近时，随着电子激发的增强，V3内壁上#3 W原子 (蓝色线) 以及V3内壁上其它W原子 (红色线) 的d轨道电子电荷的变化。

此外，研究还发现，相比于电子基态的情况，当体系处于电子激发态时，V3捕获He原子的能力有所减弱 (图3)。这结果对理解核聚变反应堆中钨材料在电子辐照条件下He累积的行为十分有益。

图3. 随着电子激发的增强，V3内部对不同数目He原子的捕获能。

研究总结

本文通过W-He TB理论计算方法，探究了电子激发态下He与W中三空位缺陷的相互作用。研究结果表明，当He原子处于V3缺陷附近时，He原子不仅能够催化V3缺陷的离解，使其分解为单空位和双空位，还能诱导V3转变为其它构型。这一现象的物理本质在于，He原子的介入改变了V3内壁上W原子的电子电荷的分布。特别是，He原子近邻的W原子呈现出了显著的阳离子特性，而其他W原子则展现出阴离子特性。因此，它们之间建立起了强大的静电吸引力，推动着V3的解构与形态的重塑。随着电子激发的逐渐增强，V3内壁上W原子的电离特性进一步加强。这一过程不仅加剧了He原子近邻W原子的阳离子化，还促使原本呈现阴离子特性的W原子逐渐向阳离子状态转变。这种离子状态的转变引发了静电相互作用的转变，从而对V3的解体和形态的变化起到了抑制作用。此发现有利于我们对聚变堆中第一壁W材料在极端环境下的物理行为以及微观结构变化的理解。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2779224

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”