江苏激光联盟指南：

< Span> 辐射损伤会降低金属钨的熔点。这种效应可能导致材料在核聚变反应堆和其他应用中失效，在这些应用中，材料暴露于极热的聚变等离子体的粒子辐射。研究结果发表在《科学进展》上，由能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员领导。

了解超快激光诱导熔化的结构动力学对于从激光微加工到高能量密度物理实验的应用非常重要.根据热力学，当温度升高使液体的自由能低于固体时，就会发生熔化。在熔化温度下，熔体前沿从自由表面或晶界不均匀地成核。例如，通过超快加热抑制表面熔化导致过热固体中液体的均匀成核，表明相变动力学的重要性。

关于如何进行均匀熔化的理论分为两类：（i）点缺陷或扩展缺陷处的成核（ii）当存在否 初始液核是在优先成核位置的热波动的帮助下形成的。不管它们是否驱动熔化，随着温度接近熔点，观察到点缺陷增加。以金属为例，在熔化温度下空位浓度达到0.37%，然后在熔化过程中迅速增加10%。

在这项研究中，研究人员研究了飞秒激光诱导钨 (W) 熔化的结构动力学，其中包含辐射诱导缺陷。他们测量了具有足够动量传递范围的时间分辨电子衍射图案，以提供准确的 PCF 结果。研究人员观察到，每一个被辐射损伤的原子（每个原子的位移，dpa）10亚置换的 W 在 10 ps 内发生熔化转变，这表明液体结构通过长程有序的丧失和与晶相相关的短程有序的出现。这与原始的 W 情况相反，其中观察到不完全熔化，并且结晶度在超过 20 ps 的时间尺度上仍然存在。

研究人员进行了双温分子动力学（双温分子动力学，2T- MD) 通过模拟来理解这些观察结果，结果表明缺陷簇，尤其是纳米空隙，在辐射损坏的 W 中驱动整体熔化过程起着至关重要的作用。这是因为从嵌入的纳米空隙开始的熔化过程在低于平衡熔点的温度下继续进行。这种不寻常的熔化行为可以通过对过冷液体包围的小晶簇稳定性的热力学分析来解释。

研究人员在不可逆光激发条件下对 30 nm 厚的多晶 W 薄膜进行了 UED 研究。这些 W 膜沉积在 50 纳米厚的独立非晶 Si3N4 膜上。在泵浦探针实验之前，目标在室温下受到 200 keV Cu+ 离子轰击的辐射损伤。为了研究不同缺陷浓度的熔化动力学，研究人员检查了 1 dpa 和 10 dpa 的两个位移水平，并将它们与原始目标进行了比较。高能Cu+弹丸替换晶格原子，导致替换级联和点缺陷的产生。在室温下，级联过程中产生的空位缺陷是不动的。相比之下，填隙缺陷具有高度的迁移率并扩散到表面或晶界。因此，预计辐照后的薄膜将充满随机分布的空位缺陷，其中一些可能形成簇。

图1 .实验装置示意图

▲图示：W靶由130-fs组成UED在兆电子伏特能量下泵浦和检测400 nm激光脉冲。在泵浦探针实验之前，准备好在不同缺陷密度下对目标的辐射损伤。所示的衍射图案是未泵浦的原始 W 目标的典型四阶平均图案。

时间分辨电子衍射数据

< span >图 2 显示了原始（图 2A）和辐照（图 2B 和 C）W 目标的衍射信号的时间演变。这些目标在 46 mJ/cm2 的相同吸收泵通量下被激发，这接近但低于原始 W 的预期完全熔化阈值 (52 mJ/cm2)。

图2 .在吸收泵浦能量密度为 46 mJ/cm2 时测得的兆电子伏特电子衍射信号的时间演化

▲ 图解：< /span>（A 到 C）对于 0、1 和 10 dpa W 样本，作为 Q 和 T 函数的散射强度。 (D 到 F) 在 T = 20 ps 时拍摄的三个样品的原始衍射图像。泵浦衍射图像的径向平均线（白色实线）和它们的参考线（红色实线）叠加在右上象限，任意单位。 (G to I) (211) 峰值衰减（红点）的时间轨迹，液体散射信号在 2.2 ± 0.05 ?-1（蓝色方块）处的上升，以及 TDS 在 8.0 ± 0.05 处的上升?- 1（黑色空心三角形）用于三种类型的 W。数据的归一化与所有负延迟点的平均散射强度有关。实线表示对具有单指数卷积和系统响应的高斯函数的数据的拟合。拟合的 1/e 时间常数由 τ 表示，并在 (G) 到 (I) 中给出。

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