应用分享丨同轴TKD助力单斜氧化锆微晶辐照诱导变化机理的研究

本文中作者采用了原位透射电子显微镜(in-situ TEM)研究氧化锆纳米晶体在高能离子辐射下的微观结构和晶型转化，并使用球差扫描透射电子显微镜(STEM)对其内部位错团簇的原子分布进行了分析。由于从TEM的选区电子衍射和STEM的原子像中提取微晶的取向分布，晶粒尺寸等信息很复杂，所以作者使用了TKD的高分辨面扫描和TEM的原位照射图相结合的方法对辐照过程中的晶体转变机制包括晶界迁移、相变和织构演化过程进行了研究和分析。

从原位的TEM以及选区电子衍射图可以观察到辐照引发的氧化物中局部缺陷引起周围原子排列变化产生应力，从而使其晶型发生相应的转变。

通过TKD可以更清楚的观察到辐照前后晶型和晶粒尺寸的变化。辐照前的TKD花样如图(a)和(d)中所示，多数小晶粒是m-ZrO₂, 还有一小部分的t-ZrO₂晶粒弥散分布于整个氧化物中。在辐照达到7.4 ×10 ¹⁵ ions.cm ^?2 （4pda）时，大部分氧化物转化为立方相，如图(b)和(e)，这里四方晶型的含量明显低于此前报导中块状样品的XRD测试数据，这是因为在FIB所制取的薄片使得样品中的应力得到释放引起四方晶型的含量下降。在含有c-ZrO₂和没有转化的m-ZrO₂混合物的区域中仍然可以看到许多小颗粒。当辐照达到1.9 ×10 ¹⁶ ions.cm ^?2(10pda)时，剩余的m-ZrO₂晶粒只有0.4 %。c-ZrO₂的平均晶粒尺寸增加。与此同时，辐照后的样品中，被标定为四方晶型的大多分布在晶粒边界处，而不再是辐照前的小晶粒分布，在4dpa时，也许是衍射花样重叠的原因，可以看到很多立方晶型和未转变的单斜晶型的混合状态，而到10dpa时，立方晶型的晶粒尺寸显著增加。这是因为由于辐照产生的缺陷在辐照的初期就引起了单斜到立方晶型的转变，产生的小的立方晶核，当转变完成之后，晶粒就开始长大。

除了不同晶型的相及其分布信息之外，TKD技术还可以显示相应的晶粒取向信息，通过对不同晶型在辐照前后的极图和反极图分析表明，(100) _m和 [001] _m 与 c-ZrO₂中的取向是相关的，亦即(100)_m|| (100)_c且[001]_m || [001]_c 。

STEM得到的HAADF原子像和相应的应力分析结果表明，辐照引起的空位缺陷所带来的晶体内部缺陷使亚稳态的四方晶型稳定性提高，从而带来了相应的晶型转变。

本文第一次把高分辨率TKD技术与TEM/STEM技术相结合，在纳米级别上对核反应燃料的锆金属包覆层在强辐射环境中损伤形成的锆氧化物进行了深度分析，得到了辐照前后材料中晶型转变，晶粒尺寸，织构和原子排布及其缺陷的产生和演变，得到了与其他研究方法可以互相印证的结论，充分证实了该方法在纳米材料晶体底层机制研究中的强大作用。