重离子预辐照CeO2的高压相变研究

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快重离子辐照是材料改性的重要手段之一,它可以在材料中引入纳米量级的缺陷,这势必会对材料的高压行为产生影响,如改变材料的相态稳定性(提高或降低相变压强)、形成亚稳相以及改变材料的物理性能等。已有研究表明,辐照损伤可以增强材料的相态稳定性以及改变材料的高压相变路径。CeO2是一种稀土氧化物,由于Ce离子价态的可变性,CeO2在化学催化领域有着广泛的应用,并且CeO2和Ce基材料在光催化、涂层、颜料等方面也有着重要应用。此外,在常温常压下CeO2与UO2、Pu O2有着相同的晶体结构(萤石型晶体结构)和相似的热力学性质,它可以作为UO2和Pu O2的非放射性替代材料,在辐照领域有着重要的研究意义。本文用Bi离子和Xe离子对CeO2多晶样品进行了不同注量的快重离子辐照实验,之后对辐照后的CeO2进行了不同温度下的退火实验,并对辐照样品以及预辐照后的退火样品进行了高压实验。通过实验研究了CeO2中形成潜径迹的精细结构以及快重离子预辐照对CeO2高压相变的影响,揭示了快重离子辐照在CeO2中引入的缺陷与CeO2的高压相变行为之间的联系。实验用550 Me V Bi离子45°斜入射辐照(电子能损为43.8 ke V/nm)CeO2的铜网样品。通过TEM表征发现,在CeO2中产生了离子径迹,且随着径迹穿透深度的增加,径迹的形貌从圆柱形变成了沙漏形。表明了再结晶在CeO2的径迹形成过程中起了重要作用,同时也是径迹形貌随穿透深度变化的主要原因。通过拉曼光谱仪对336 Me V Xe离子辐照的不同注量(3×1010-2×1013 ions/cm~2)的CeO2样品进行可见(532 nm)、紫外(325 nm)拉曼光谱研究。结果表明随着离子注量的增加,辐照引起CeO2中的氧空位含量先减少后增加,这归因于辐照引起的损伤积累与原生缺陷恢复之间的竞争。之后,对未辐照以及不同辐照注量的CeO2样品进行原位高压拉曼光谱表征,研究发现低注量辐照的CeO2样品的高压行为与未辐照样品相似,而高注量辐照的CeO2样品相态稳定性显著提高,这表现在高注量辐照的CeO2样品有着较高的相变压强和较低的相变效率。最后,对预辐照的CeO2(2×1013 ions/cm~2)样品进行不同温度下(573,1073,1273 K)的缺陷退火实验,并进行了原位高压拉曼测试,通过对退火后的拉曼表征分析以及高压行为的研究,揭示了在高注量辐照CeO2中形成的位错环是导致其相态稳定性提高的主要原因。
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