聚變材料鎢輻照后退火形成的位錯環(huán)特性及inside-outside 襯度分析*

徐馳 萬發(fā)榮

1) (北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,射線束技術(shù)教育部重點實驗室,北京 100875)

2) (北京市科學(xué)技術(shù)研究院,輻射技術(shù)研究所,北京 100875)

3) (北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100086)

4) (國防科技工業(yè)核材料技術(shù)創(chuàng)新中心,北京 102413)

對純鎢透射電鏡薄膜樣品在400 ℃ 進行了58 keV、1×1017 cm—2 (約0.1 dpa) 的氘離子輻照,輻照后進行了900 ℃/1 h 的退火處理.離子輻照產(chǎn)生了平均尺寸為(11.10±5.41) nm,體密度約為2.40×1022 m—3 的細小位錯環(huán)組織,未觀察到明顯的空洞組織.輻照后退火造成了位錯環(huán)尺寸的長大和體密度的下降,分別為(18.25±16.92) nm 和1.19×1022 m—3.通過透射電鏡的衍射襯度分析,判斷輻照后退火樣品中的位錯環(huán)主要為a/2 〈 111〉 類型位錯環(huán).通過“一步法” inside-outside 襯度分析判斷位錯環(huán)為間隙型位錯環(huán).輻照后退火還造成了較大位錯環(huán)之間接觸融合,形成不規(guī)則形狀的大型位錯環(huán).此外,退火后樣品中還觀察到了尺寸為1—2 nm的細小空洞組織.

1 引言

國際熱核聚變組織(ITER)已經(jīng)確定ITER將使用全鎢的第一壁材料[1,2].未來,鎢作為第一壁以及偏濾器材料將越來越多使用在已建成或者新建的核聚變托卡馬克試驗反應(yīng)堆中[3].而第一壁等面向等離子體部件需要承受高能量和高劑量的中子輻照,研究鎢中的輻照損傷機理對于理解其在輻照環(huán)境下的服役狀況變得至關(guān)重要.

目前關(guān)于鎢的輻照損傷已經(jīng)有了較為廣泛和深入的研究[4-9].鎢金屬作為一種體心立方材料,輻照產(chǎn)生的位錯環(huán)主要為以1/2〈111〉 和〈100〉 為柏氏矢量[4].其中1/2〈111〉 型位錯環(huán)經(jīng)常在各輻照條件下觀測到[4,6],而〈100〉 位錯環(huán)則在高溫輻照下產(chǎn)生[10,11].輻照后退火會導(dǎo)致輻照缺陷發(fā)生回復(fù),對于理解輻照缺陷受熱因素驅(qū)動的動態(tài)行為具有重要意義.而目前關(guān)于鎢中輻照缺陷的等溫時效分析仍然較少[12,13],尤其是針對時效后可能出現(xiàn)的空位型位錯環(huán)(如鐵素體中觀察得到),需要進一步分析和探索.

使用透射電子顯微鏡(TEM)衍射襯度分析可以對輻照后材料中的位錯環(huán)的間隙-空位性質(zhì)進行細致研究.使用TEM 鑒定位錯環(huán)為間隙型或空位型的常用方法有兩種: 一種是使用超高壓電鏡觀察位錯環(huán)在電子輻照下的演化特征,間隙型位錯環(huán)會吸收可移動的間隙原子而長大,而空位型位錯環(huán)則因吸收間隙原子縮小[14-17];另外一種是利用位錯環(huán)的衍射襯度相對于真實位錯環(huán)晶格位置的關(guān)系獲得的inside-outside 襯度方法進行判斷[18-21].前者要求有超高壓透射電子顯微鏡進行原位電子輻照觀察,后者則要求位錯環(huán)有相對較大尺寸以便于inside-outside 襯度觀察.此外,輻照初期產(chǎn)生的細小位錯環(huán)也可以通過黑白襯度法鑒別其間隙型或空位型特性[20].

本文工作的主要內(nèi)容是對離子輻照以及退火后鎢金屬中的位錯環(huán)形貌、大小、數(shù)密度以及柏氏矢量等特征進行表征分析,尤其使用inside-outside襯度方法對位錯環(huán)特性進行分析.關(guān)注的重點是等溫時效對離子輻照后的鎢金屬中位錯環(huán)等輻照缺陷形態(tài)的改變,以及空位型位錯環(huán)的產(chǎn)生與否,以形成對離子輻照鎢在等溫時效過程中動態(tài)回復(fù)機制的初步理解.

2 實驗方法

2.1 鎢透射樣品制備

實驗材料為粉末冶金制備的純鎢金屬,密實度＞99.95%.實驗前,對鎢金屬進行1000 ℃ 高溫退火1 h.之后對樣品進行線切割成0.5 mm 厚薄片,對薄片進行機械打磨至最終厚度約0.1 mm.使用透射電鏡制樣專用沖樣機進行沖樣,將薄片沖成直徑3 mm 標準透射樣品.之后使用2000#砂紙對3 mm 圓片雙面進行打磨,并使用無水酒精進行沖洗,晾干備用.

為獲得具有電子束透明薄區(qū)的樣品,對3 mm直徑薄圓片進行電解拋光減薄處理.所使用的電解液為質(zhì)量分數(shù)1%的NaOH 水溶液.使用Struers Tenupol-5 型雙噴電解拋光機進行電解拋光.使用拋光電壓為16—18 V,拋光溫度為0—5 ℃.

2.2 輻照與退火實驗

對所制備的鎢金屬標準透射樣品進行離子輻照實驗.離子輻照實驗使用北京師范大學(xué)BNU-400 高通量離子注入機進行.實驗溫度為400 ℃,輻照離子為氘離子(D+),能量為58 keV,輻照劑量為1×1017cm—2.

離子輻照之后鎢金屬中的缺陷多為微小黑點狀位錯環(huán)缺陷,難以進行詳細的位錯環(huán)結(jié)構(gòu)分析.因此對D+輻照后的鎢金屬樣品進行了高溫退火實驗,方法為將輻照后的TEM 樣品在真空環(huán)境下封入石英管進行退火,退火溫度為900 ℃,時間1 h.

使用SRIM 2013 軟件模擬了58 keV D+輻照在鎢金屬中產(chǎn)生的移位缺陷和注入離子分布,如圖1 所示.模擬使用基于Kinchin-Pease(K-P)模型的快速計算模式.由圖可知,鎢金屬的輻照損傷峰值深度約為200 nm,而所注入的D+分布峰值深度約300 nm.對于透射電鏡表征的常用樣品厚度(50—100 nm),58 keV,1×1017cm—2的D+輻照所產(chǎn)生的輻照損傷劑量約為0.1 dpa.

圖1 SRIM 2013 軟件模擬58 keV,1× 1017 cm—2 D+ 輻照純鎢金屬中的輻照劑量(單位: dpa)以及注入D+隨深度分布 圖.SRIM 計算使用K-P 模 式,D 原子量為2.014 amu,W 的移位域能為90 eV [22]Fig.1.The irradiation dose and D+ depth distributions for 58 keV,1× 1017 cm—2 D+ irradiation of pure tungsten as calculated by SRIM 2013 software.The calculation is performed in the K-P quick calculation mode,with the atomic weight of D set as 2.014 amu and the displacement threshold energy for W set as 90 eV [22].

2.3 TEM 表征細節(jié)

透射電鏡表征使用JEOL 2100 型號的透射電鏡,工作電壓為200 kV.實驗選取了體心立方鎢晶體的主要晶帶軸[001],[111],[110]并選取多個衍射矢量進行表征.其中,在確定衍射點的g矢量時,參照了標準菊池圖中的標記[21].同時確保在不同晶帶軸之間轉(zhuǎn)換時,相同菊池線上的衍射矢量的連貫性和一致性.

3 實驗結(jié)果

3.1 離子輻照后微觀形貌觀察

如圖2 所示,400 ℃,1× 1017cm—2的D+輻照后,鎢基體內(nèi)部觀察的缺陷主要為黑點狀小型位錯環(huán)缺陷,未觀察到明顯的空洞組織.在經(jīng)歷900 ℃/1 h退火之后,位錯環(huán)尺寸發(fā)生明顯長大,如圖2(c)所示.從圖2(c)中可以看到,部分較大位錯環(huán)由于生長發(fā)生位錯線重疊以及發(fā)生位錯反應(yīng),從而形成了拉長的不規(guī)則位錯環(huán).此外可以看到,拉長的位錯環(huán)長軸方向大致與g(0) 矢量平行,由此推測,位錯環(huán)生長方向可能與該衍射矢量方向平行.

圖2 (a) 400 ℃ D+輻照后鎢中某一區(qū)域的輻照缺陷的明場像觀;(b) 該區(qū)域的g(10)雙束衍射條件下的CBED 圖(為便于觀察將襯度反轉(zhuǎn)),用于計算圖(a)中區(qū)域的樣品厚度;(c) 離子輻照后900 ℃/1 h 退火后的位錯環(huán)明場像觀察;(d) 明場像的衍射條件圖,g=(10);(e),(f) 欠焦和過焦條件下,離子輻照退火后在樣品薄區(qū)觀察到的空洞缺陷Fig.2.(a) TEM bright-field (BF) imaging of an area in the 400 ℃ D+ irradiated sample;(b) a CBED pattern obtained under g(10) vector (contrast inverted for observation convenience),which is used for calculation of the specimen thickness of the area in Figure (a);(c) BF imaging of the dislocation loops in the irradiated and 900 ℃/1 h annealed specimen;(d) diffraction pattern showing the diffraction condition of Figure (c),g=(10) ;(e),(f) void structures observed in the irradiated and annealed specimen in underfocus and overfocus conditions,respectively.

為了更直觀地看出輻照后退火對位錯環(huán)尺寸變化產(chǎn)生的影響,將離子輻照以及離子輻照后退火形成的位錯環(huán)尺寸分布進行了直方圖繪圖,如圖3所示,分別統(tǒng)計了圖2(a)和圖2(c)中的位錯環(huán)尺寸分布.從圖2(a)和圖2(c)中可以清楚看到,輻照后退火造成小尺寸位錯環(huán)比例減少,大尺寸位錯環(huán)比例增加,整體位錯環(huán)尺寸明顯發(fā)生長大.從統(tǒng)計數(shù)字看,輻照后位錯環(huán)平均尺寸為(11.10±5.41) nm,而輻照+退火后位錯環(huán)平均尺寸為(18.25±16.92) nm.此外,輻照后退火在鎢金屬內(nèi)形成了尺寸為1—2 nm大小的空洞,如圖2(e)和圖2(f)中的欠焦圖片所展示.為了精確地計算輻照后位錯環(huán)密度的大小,使用會聚束衍射(CBED)方法對圖2(a)區(qū)域的薄區(qū)厚度進行了測量,CBED 圖如圖2(b)所示.所測得的試樣厚度為122.5 nm[19,23],該區(qū)域的位錯環(huán)面密度約為1.47×1015m—2,故位錯環(huán)體密度約為1.20×1022m—3.用同樣的方法測得,輻照后退火樣品中的位錯環(huán)體密度約為5.97×1021m—3.由此可見,輻照后退火導(dǎo)致位錯環(huán)密度大幅下降.需要注意的是,以上所得位錯環(huán)體密度數(shù)值是使用g(10)或g(01) 觀察矢量測得,在兩種情況下a/2〈111〉位 錯的四個變體 (±[11],±[11],±[11],±[111]) 中有兩個均會發(fā)生消襯而未顯現(xiàn),所以,如果位錯環(huán)主要由a/2〈111〉 位錯環(huán)組成,真實位錯環(huán)密度需要乘以2.此外,樣品厚度測量以及位錯環(huán)重疊現(xiàn)像等因素可能會導(dǎo)致位錯環(huán)統(tǒng)計數(shù)量的誤差.

圖3 純鎢金屬400 ℃,58 keV D+ 輻照(Irr.)以及輻照后900 ℃/1 h 退火(Irr.+ann.)后位錯環(huán)尺寸分布直方圖Fig.3.Histograms showing the loop size distributions in the 400 ℃,58 keV D+ irradiated (Irr.) and the irradiated and 900 ℃/1 h annealed (Irr.+ann.) samples,respectively.

3.2 輻照后退火形成的位錯環(huán)柏氏矢量確定

為了確定輻照后退火形成的位錯環(huán)的柏氏矢量(b),對該透射樣品進行了試樣傾轉(zhuǎn)實驗.分別選擇 了晶帶軸的晶帶軸的g(101)和[001] 晶帶軸的g(110),進行同一視場下的明場像觀察,如圖4 所示.從圖4 中可以看到,隨著衍射條件的變化,位錯發(fā)生了不同情況的襯度消失(消襯)現(xiàn)象.從中選擇了三個典型的位錯環(huán)Loop A,B,C,并對其顯襯和消襯的情況進行追蹤,結(jié)果如表1 所列.根據(jù)衍射襯度理論[19],位錯襯度與 (g·b)sg值有關(guān)(sg為偏移矢量模值),消襯條件為g·b=0.因此,針對每個位錯環(huán),選擇使其消襯的兩個g矢量叉積即得到位錯環(huán)柏氏矢量的平行矢量,結(jié)果如下:

表1 圖4 中的位錯環(huán)顯襯消襯情況總結(jié).“√”表示位錯環(huán)未消襯,“×”表示位錯環(huán)消襯Table 1.The contrast visibility conditions for the dislocation loops observed in Fig.4.‘√’ means the loop is visible and‘×’ means the loop show contrast extinction.

圖4 (a)—(f) 純鎢試樣經(jīng)400 ℃、58 keV、1017 cm—2 D+ 注入后900 ℃退火1 h 得到的位錯環(huán)結(jié)構(gòu)在不同g 矢量明場觀察結(jié)果;(g)—(k) 各明場像衍射條件的對應(yīng)衍射圖案Fig.4.(a)—(f) BF characterizations of the dislocation loops under different diffraction conditions in the 400 ℃,58 keV,1017 cm—2 D+irradiated and 900 ℃/1 h annealed tungsten sample;(g)—(k) diffraction patterns showing the corresponding diffraction conditions for the BF images.

從該結(jié)果可知,A,B,C 位錯環(huán)柏氏矢量均為a/2〈111〉 .需要注意的是,此處判定的是柏氏矢量的平行矢量,其中 “+/—”符號需要依賴inside-outside襯度確定,將在下一節(jié)中描述.

為了進一步確定是否存在〈100〉 系位錯環(huán),利用〈100〉 位錯環(huán)的特點,其在±(200)和±(020)兩個g矢量下至少會發(fā)生一次消襯,而1/2〈111〉 位錯環(huán)則始終顯襯.因此選取了[001]晶帶軸的±(200)和±(020)g矢量進行明場像觀察,如圖5所示(圖中展示了±g之一).選取了18 個典型的位錯環(huán)并在圖中進行了標記(所標記位錯環(huán)為數(shù)字左側(cè)的位錯環(huán)),對其顯襯情況進行了統(tǒng)計,結(jié)果顯示,#1—#18 位錯環(huán)在g=±(200) 和g=±(020)的衍射條件下均顯示了較為明顯位錯環(huán)襯度.該結(jié)果證明,在該視場下所觀察到的位錯環(huán)為1/2〈111〉 型位錯環(huán),未發(fā)現(xiàn)〈100〉 型位錯環(huán).

圖5 純鎢試樣經(jīng)過離子輻照并退火后的位錯環(huán)形貌,分別在[001]晶帶軸的 (a) g(200) 和 (b) g(020) 衍射條件下進行明場像觀察.圖中用數(shù)字標記了18 個典型位錯環(huán)Fig.5.Morphology of dislocation loops in the irradiated and annealed tungsten sample observed in BF images taken under(a) g(200) and (b) g(020) vectors of the [001] zone axis,respectively.A total of 18 typical loops are marked with numbers correspondingly.

3.3 Inside-outside 襯度法判定位錯環(huán)屬性

根據(jù)inside-outside 襯度的規(guī)則,采用標準的finish-start/right-hand (FS-RH) 法定義的位錯柏氏矢量(b),根據(jù)Jenkins &Kirk[20]的描述,如果定義位錯環(huán)法向n向上(位錯環(huán)法向與位錯線走向呈右手螺旋規(guī)則),則有如下結(jié)論:

1) 當(g·b)sg＞ 0 時,位錯環(huán)顯示outside 襯度;

2) 當(g·b)sg＜ 0 時,位錯環(huán)顯示inside 襯度.

此時,根據(jù)柏氏矢量與位錯環(huán)法向的關(guān)系,可以判定位錯環(huán)是間隙型位錯環(huán)還是空位型位錯環(huán),即:

1)b·n＞ 0,或b·B＜ 0,為間隙型位錯環(huán);

2)b·n＜ 0,或b·B＞ 0,為空位型位錯環(huán).

這里的B為電子束方向,一般為向下的方向(與n相反).

針對圖2(c)中白色方框內(nèi)的區(qū)域進行了不同衍射條件下相同視場的明場像觀察,如圖6 所示.分別選擇了[001]晶帶軸中的±(020),±(110),[111]晶帶軸的以及[011]晶帶軸的矢量,進行了inside-outside 襯度觀察.在傾轉(zhuǎn)每個g矢量時確保sg＞ 0[19],并且在確定每個g矢量指數(shù)時依據(jù)菊池圖的關(guān)系確保同一g矢量在不同帶軸之間的連貫性.對圖6 中的三個位錯環(huán)的insideoutside 襯度情況總結(jié)如表2 所列.從表2 可以看出,三個位錯環(huán)的消襯情況以及inside-outside襯度情況基本相同,可以判斷為同一類型位錯環(huán).

表2 圖6 中標號的位錯環(huán)(A,B,C)在各個衍射矢量下的inside-outside 襯度情況.I-inside 襯度;O-outside 襯度;×-消襯;√-不消襯,但inside-outside 襯度不明顯Table 2.The inside-outside contrasts of the selected loops (A,B,C) in Fig.6.Meanings of the different signs: I-inside contrast;O-outside contrast;×-contrast extinction;√-visible,but with uncertain inside-outside contrasts.

圖6 離子輻照后退火的純鎢試樣中同一視場在不同衍射矢量下的明場像觀察.選擇[001],[111]和[011]三個晶帶軸下的多個± g 矢量,并確保各g 矢量的偏移矢量sg ＞ 0.選擇了三個位錯環(huán)A,B,C 并對其在不同衍射條件下的inside-outside 襯度進行統(tǒng)計Fig.6.BF images showing the dislocation loops in the same area of the irradiated and annealed tungsten sample.Multiple ±g vectors are selected in the [001],[111] and [011] zone axis,and the deviation vector sg is set to sg ＞ 0 for these imaging conditions.Three typical loops (A,B,C) are tracked with respect to their inside-outside contrasts under different imaging conditions.

4 討論部分

4.1 鎢中位錯環(huán)類型及其對輻照損傷行為的影響

體心立方(bcc)金屬常見的位錯環(huán)類型有a/2〈111〉,a/2〈110〉 和〈100〉 位錯環(huán)[14,24].其中a/2〈110〉位錯環(huán)因為具有層錯在層錯能較高的bcc 材料中比較少見.最容易出現(xiàn)的位錯環(huán)是柏氏矢量沿著a/2〈111〉 的位錯環(huán)[25-28],這在鎢、鉬和釩合金材料的輻照損傷的觀察中已經(jīng)大量發(fā)現(xiàn)[4,13,29,30].〈100〉型的位錯環(huán)的觀測也有報道[6,18,31],但是其存在比例以及觀測頻率均低于前者.位錯環(huán)對點缺陷吸收的偏壓(s=(Zi—Zv)/Zi[14])為正,即對間隙原子吸收的比例大于對空位的吸收,會導(dǎo)致材料中的空位的富集而形成空洞[24].空洞是一個中性的點缺陷陷阱,而位錯環(huán)是一個有正偏壓s的陷阱,且s的大小與柏氏矢量|b|大小有關(guān).對〈100〉 和1/2〈111〉 位錯環(huán)來說,前者的偏壓更大,而1/2〈111〉 位錯環(huán)相對偏中性.如果材料中大量形成1/2〈111〉 位錯環(huán)而非〈100〉 位錯環(huán),則輻照腫脹率相對降低.本文中觀察到鎢金屬經(jīng)D+輻照形成的位錯環(huán)主要由1/2〈111〉 位錯環(huán)組成,未觀察到明顯的〈100〉 位錯環(huán).所以,鎢金屬在此輻照條件下,相比于形成〈100〉位錯環(huán)的情況,輻照引起的位錯環(huán)和空洞長大將有所減少.

本文觀測的D+輻照后鎢金屬中位錯環(huán)尺寸分布范圍較廣,如圖3 所示,該結(jié)果與Matsui 等[32]在10 keV,5—30×1017cm—2D+輻照后的純鎢中的觀察結(jié)果類似.他們認為輻照產(chǎn)生的不同大小的位錯環(huán)來源于形核時間的差別,其所觀察的位錯環(huán)被確定為慣習(xí)面為接近{110}平面的a/2〈111〉 位錯環(huán),與本文結(jié)果相符.Matsui 等[32]以及Nagata 等[33]指出 D+輻照鎢后,可能會形成自間隙原子(SIA)與D 原子形成的復(fù)合物(SIA-D),該復(fù)合物在輻照中成為位錯環(huán)形核位點,并且可能在輻照后退火或電子輻照中釋放間隙原子從而影響缺陷演化過程.

根據(jù)此前的研究結(jié)果[34,35],鎢中缺陷回復(fù)被總結(jié)為5 個階段[4,13].本文的退火溫度(900 ℃,1173 K)介于第IV 和第V 階段(從約0.31Tm開始,Tm熔點)之間,在這兩個階段分別發(fā)生了空位-空位/雜質(zhì)復(fù)合團簇的遷移以及間隙或空位團簇的分解或者空洞的形成[4,14].本文中觀測到的空洞的形成以及位錯環(huán)的接觸融合現(xiàn)象(見圖2)均與此相符.值得注意的是,本文的退火溫度(1173 K)已經(jīng)大大超過了鎢中滯留氘的熱脫附峰值溫度(400—800 K[36]),輻照空缺內(nèi)的氘氣體被認為已經(jīng)完全逸散,因此圖2(e)和圖2(f)中變焦觀察到的空缺結(jié)構(gòu)被認定為空洞而非輻照產(chǎn)生的氘氣泡.本文中觀測的位錯環(huán)特性基本與Ferroni等[13]對2 MeV W+輻照(500 ℃,1.5 dpa)+等溫時效后的鎢中的觀測相符,輻照后退火殘留的位錯環(huán)均為1/2〈111〉 型間隙型位錯環(huán)而未觀測到〈100〉 位錯環(huán).Ferroni 等[13]的原位觀察還顯示,位錯環(huán)在800 ℃以上自組織形成了位錯環(huán)的“鎖鏈”結(jié)構(gòu)并通過“鎖鏈”中的位錯環(huán)融合形成了不規(guī)則的大位錯環(huán)結(jié)構(gòu),并且發(fā)生了位錯環(huán)的加速回復(fù)而導(dǎo)致其數(shù)密度下降,這些均與本文中的觀察相符.

本文中實驗的一個不同點在于使用D(或H)離子輻照而非重離子輻照.目前已經(jīng)清楚,鐵素體鋼經(jīng)H 同位素離子輻照后,可能形成D(或H)與空位的D(H)-V 復(fù)合體,該復(fù)合體在回復(fù)第IV 階段開始移動,從而導(dǎo)致間隙型位錯環(huán)尺寸的縮小以及形成尺寸較大的空位型位錯環(huán)[14-17].本文的結(jié)果顯示,D+輻照的鎢金屬經(jīng)第IV 階段退火后,通過inside-outside 襯度分析未發(fā)現(xiàn)明顯的空位型位錯環(huán).

4.2 Inside-outside 襯度法判定位錯環(huán)屬性的方法

位錯電子衍射襯度理論的一個重要結(jié)論是由于位錯引起的晶格畸變,其衍射襯度相對真實位置投影存在一個偏移,這個偏移的方向隨(g ·b)s符號發(fā)生變化[19-21].這一結(jié)論的直接結(jié)果是對位錯環(huán)來說,隨衍射條件變化,位錯環(huán)襯度相對其真實位置投影會出現(xiàn)在其內(nèi)部和在其外部的變化,即所謂的inside-outside 襯度[9].由于在確定衍射條件和位錯環(huán)的傾斜幾何構(gòu)型的情況下,間隙型位錯環(huán)和空位型位錯環(huán)呈現(xiàn)完全相反的inside-outside 襯度,因此可以根據(jù)這一特點對材料中的間隙型和空位型位錯環(huán)加以鑒別.

Inside-outside 法可以大致分為“兩步法”和“一步法”.黃伊娜等[18]對二者進行了詳細的描述,其中“兩步法”基本過程為首先通過inside-outside襯度確定g ·b的符號,即衍射矢量與柏氏矢量b的取向關(guān)系;之后通過沿+g或—g方向傾轉(zhuǎn)試樣觀察位錯環(huán)形狀的改變來確定g ·n的符號,即衍射矢量與位錯環(huán)法向n的取向關(guān)系.這樣結(jié)合g ·b的符號和g ·n的符號確定b ·n的符號,從而能夠確定間隙型或空位型位錯環(huán)屬性.而一步法直接通過g·b=0消襯判據(jù)和inside-outside 襯度確定柏氏矢量b的確切指數(shù),然后根據(jù)b ·n或b ·B的點乘符號來判斷位錯環(huán)的屬性.“兩步法”和“一步法”的主要區(qū)別在于是否需要通過傾轉(zhuǎn)試樣來獲取位錯環(huán)的慣習(xí)面的傾斜狀態(tài).針對情況較為簡單的刃型位錯環(huán)的情況,由于慣習(xí)面總是與位錯環(huán)垂直,可以使用“一步法”進行直接判定.“一步法”在Jenkins 與Kirk[20]以及Lorretto 與Smallman[21]的著書中均有描述,本文中采用的方法也屬于此方法.關(guān)于“一步法”有以下相關(guān)因素需要考慮.

1) 位錯柏氏矢量的定義: 由于inside-outside襯度判斷位錯環(huán)屬性的判據(jù)是柏氏矢量b與位錯環(huán)法向n的取向關(guān)系,柏氏矢量的定義直接影響結(jié)果.我們注意到,雖然柏氏矢量目前普遍采用的都是FS-RH 的定義方式,但是存在先在完整晶體中[18,37]做右手螺旋回路和先在缺陷晶體[13,19,38]做右手螺旋回路的兩種定義方式,如圖7 所示,其結(jié)果是完全相反的柏氏矢量方向.

2) 位錯環(huán)法向n的確定: 位錯環(huán)法向?qū)嶋H決定了位錯線正方向,因為位錯環(huán)法向與位錯線走向呈右手螺旋關(guān)系[38,24].而位錯線正方向決定了圖7中閉合回路的方向,當n的方向反轉(zhuǎn)時,得到的柏氏矢量方向也發(fā)生反轉(zhuǎn).

圖7 按照FS-RH 法定義的柏氏矢量 (a) 先在缺陷晶體做閉合回路;(b) 先在完整晶體做閉合回路.圖中刃位錯核心處的 “·”符號代表位錯線的正方向為從紙外進入紙內(nèi)的方向Fig.7.The definition of Burger’s vector following the FS—RH convention: (a) First drawing the closed circuit in defected crystal;(b) first drawing the closed circuit in the perfect crystal.The “·” sign in the edge dislocation core means that the positive direction of the dislocation line is going into the paper.

3)g矢量的確定:g矢量的標號直接影響b矢量符號的判定,g矢量的標號受電子束B的方向影響,目前大多數(shù)標準菊池圖(如Lorretto 與Smallman[21]的附錄中展示的)中g(shù)矢量的標號都是默認電子束方向向下而判定的.

將以上因素對位錯環(huán)性質(zhì)判定的影響效果進行列表,如表3 所列.注意到,第1),2) 因素實際上不影響最終位錯環(huán)性質(zhì)的判定.改變b矢量定義方式會使根據(jù)inside-outside 襯度判定的b矢量符號相反,但是同時b ·n的判定規(guī)則也與原來相反,因此最終的間隙型空位型判定結(jié)果不變.改變位錯環(huán)法向n的方向也會導(dǎo)致根據(jù)inside-outside 襯度判定的b矢量符號相反,但是b ·n的值的符號以及b ·n的判定規(guī)則都沒有發(fā)生改變,所以最終的間隙型空位型判定結(jié)果不變,如表3 所列.由于n的朝向是相對于電子束方向B而言,且對于簡單刃型位錯環(huán)n與b平行,實際可以通過b ·B的符號判斷位錯環(huán)的屬性.類似地,表3 中雖然顯示當變換n的取向時,雖然b ·B的判定規(guī)則發(fā)生改變,但此時(g·b)s的規(guī)則也發(fā)生了反轉(zhuǎn),所以最終判定的位錯環(huán)屬性結(jié)果不會發(fā)生變化.實際操作當中往往固定一個特定的n朝向(如n朝上[18]),然后按照表3 中同一列的判定規(guī)則進行判定即可.因此,“一步法”中需要注意的是g矢量的判定.在確定衍射矢量時,如bcc 晶體[111]晶帶軸的的起始選擇有一定的隨意性,但是對于一對±g矢量,如的確定,二者不是對等的,需要嚴格按照菊池圖中的標記進行標定(可以參照如[111]和[110]菊池極的相對位置進行判定).并且,不同晶帶軸之間屬于同一菊池帶上的±g矢量須保持連貫性.

表3 影響位錯環(huán)性質(zhì)判定的各因素的影響效果列表.(g · b)s 與inside-outside 襯度的關(guān)系參照[20].各符號意義為: I-inside襯度;O-outside 襯度;V-loop-空位型位錯環(huán);I-loop-間隙型位錯環(huán);n 的朝向是相對電子束方向B,后者定義為向下Table 3.Factors affecting the identification of interstitial or vacancy character of dislocation loops and list of effects.The relations between (g ·b)s and the inside-outside contrasts is following [20].Meanings of different signs: I-inside contrast;Ooutside contrast;V-loop: vacancy loop;I-loop -interstitial loop;the direction of n is respective of the electron beam direction B which is pointing downwards.

雖然輻照產(chǎn)生的位錯環(huán)中純?nèi)行臀诲e環(huán)出現(xiàn)的幾率相對較高,但是非純?nèi)行臀诲e環(huán)依然是存在的.因此,使用“一步法”判定的結(jié)果具有一定的參考價值,而對于復(fù)雜的混合型位錯環(huán),則需要進行更多的分析步驟,具體細節(jié)參見文獻[20].此外,對于尺寸較小的黑點狀(“black-dot”)位錯環(huán)(如圖2(a)中所示),可以使用強衍射條件下產(chǎn)生的“black-white”襯度對其性質(zhì)進行分析[20].而分析位錯環(huán)間隙型和空位型類型的一個更為便捷的方法是直接使用高能電子(如超高壓電鏡)輻照產(chǎn)生弗倫克爾缺陷對導(dǎo)致的位錯環(huán)長大縮小進行判定[14,16].不過,能夠?qū)︽u進行電子輻照的高壓電鏡,其加速電壓需要達到2 MV,目前只有日本大阪大學(xué)具備實驗條件.

5 結(jié)論

本課題對純鎢透射電鏡薄膜樣品在400 ℃ 進行了58 keV,1× 1017cm—2的D+輻照,輻照后進行了900 ℃/1 h 的退火處理,實驗得到以下結(jié)論.

1) D+輻照在純鎢晶體內(nèi)部產(chǎn)生了黑點狀位錯環(huán),統(tǒng)計平均尺寸為(11.10±5.41) nm,體密度約為2.40×1022m—3,未觀察到明顯的空洞組織.

2) 輻照后退火造成位錯環(huán)尺寸明顯長大和密度降低,位錯環(huán)統(tǒng)計平均尺寸為(18.25±16.92) nm,體密度約為(1.19×1022) m—3.退火造成了較大位錯環(huán)之間接觸融合,形成不規(guī)則形狀的大型位錯環(huán).此外,退火后樣品中觀察到了細小空洞組織(1—2 nm).

3) 經(jīng)TEM 衍射襯度分析得出,輻照后退火純鎢樣品中的位錯環(huán)主要為a/2〈111〉 型間隙型位錯環(huán),未觀察到明顯的〈100〉 型位錯環(huán)或空位型位錯環(huán).其中間隙型位錯環(huán)類型結(jié)論由inside-outside襯度“一步法”分析得出.