Formation of a Helium-Bubble-Free Region in Irradiated SiC via Mg Ion Implantation: Irradiation experiments combined with first-principles calculations
文章信息: Jun Hui, Min Liu, Shuo Wang, Jia Peng Chen, Biao Wang, Formation of a Helium-Bubble-Free Region in Irradiated SiC via Mg Ion Implantation: Irradiation experiments combined with first-principles calculations, Journal of the European Ceramic Society，(2025) 117825。https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117825.惠均为第一作者，刘敏及王彪教授为通讯作者。
1.简介
碳化硅（SiC）因其优异的抗辐照性和高温稳定性，被视为核能系统包壳材料的重要候选。然而，在核环境中，氦（He）辐照会导致材料内部形成氦泡，进而引起肿胀、硬化和脆化，严重威胁其服役性能。如何有效抑制氦泡的生成与演化，是提升SiC服役可靠性的关键科学问题。
本研究通过离子辐照实验与第一性原理计算相结合，揭示了Mg离子注入对SiC中氦泡行为的调控机制，主要成果如下：
2.实验结果
i)在单独He辐照的SiC中，氦泡集中分布于0–310 nm范围的表层区域；
ii)在He+Mg共辐照并退火的样品中，出现了厚度约468 nm的“无氦泡区”，氦泡主要迁移至更深层，且总体密度明显降低；
iii)Raman光谱显示，Mg的引入有效减缓了He辐照导致的Si–C键收缩和峰位蓝移，表明Mg可缓解局部应力和结构畸变。
图 1. (a) He 与 Mg 共辐照样品在 1273 K 退火 15 h 后获得的欠焦透射电子显微镜 (XTEM) 图像
3.机制解析
i)He和空位通过缩短邻近Si–C键，引起局域电子致密化和应力集中，是氦泡诱发辐照硬化的重要原因；
ii)Mg原子优先取代Si位置，与邻近C原子形成稳定化学键，不改变SiC的带隙和费米能级，却能增强局部结构稳定性，阻碍He在表层成核；
iii)在缺陷诱导的“核–壳”结构中，电子极化效应使边缘原子形成偶极子并激发Dirac费米子态，为理解辐照缺陷的电学与力学耦合提供了新视角。
图 2. SiC中空位/He偶极子形成的动态过程
图 3. 空位或掺杂引起的强化效应与费米能级处的电子共振是其内在机制
4.科学意义与应用前景
i)Mg注入使SiC形成稳定的“无氦泡区”，有效抑制氦泡的表层聚集与演化；
ii)该方法显著提升SiC的抗辐照稳定性和力学性能，为核能堆堆芯结构材料的设计与优化提供了新的实验依据与理论支持；
iii)本研究拓展了缺陷极化和电子态调控在辐照防护材料中的应用思路。
图 4. 核–壳结构体系的能量分解结果
5.结论
镁离子注入不仅改善了SiC的局部结构稳定性，还显著抑制了氦泡的成核与表面聚集，构筑了独特的“无氦泡区”。该成果为开发高性能、长寿命的核能包壳材料提供了新的思路和方法，对未来极端核环境下的材料设计具有重要意义。
