近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体所内耗与固体缺陷研究部在碳化硅（SiC）辐照点缺陷微观机制研究方面取得新进展。研究团队结合离子辐照实验和第一性原理计算，提出SiC辐照点缺陷诱导形成准“核—壳”结构的新认识，揭示了点缺陷引起的局域键重构、力学响应与电子极化之间的内在联系。相关成果发表在《Journal of the European Ceramic Society》和《Transactions of Materials Research》上。

SiC具有优异的高温力学性能、热稳定性和抗辐照性能，是先进核能系统中极具潜力的结构与功能材料。在高能粒子辐照环境下，材料内部会产生空位、间隙原子和He等各类缺陷，并伴随嬗变元素生成。这些缺陷的持续演化和聚集可进一步形成缺陷团簇和He泡，进而影响材料的力学性能及电热输运特性。因此，阐明点缺陷形成后周围原子结构和电子态的演化规律，是从原子尺度理解辐照损伤与宏观性能劣化的关键。

传统认识通常将辐照点缺陷视为晶格损伤和性能退化的起点。研究团队发现，点缺陷引起的局域响应并非简单、均匀地由缺陷中心向外衰减，而是具有明显的空间分区特征。He、空位及嬗变元素引入SiC晶格后，缺陷中心附近因局域配位和成键环境改变形成相对不稳定的“核心”区域；与此同时，外围部分原子通过结构弛豫发生键收缩和局域成键增强，形成局域强化的“壳层”。由此形成不同于传统两相核壳材料的原子尺度准“核—壳”结构，其主要特征表现为“核心失稳—外围强化”的协同响应。

该发现与团队前期对石墨和石墨烯空位缺陷的研究形成了相互关联的物理图像。相关研究表明，空位造成原子欠配位后，邻近原子可通过键收缩形成局域强化区域；与此同时，悬挂键电子重新分布产生局域极化，并可在特定原子位点之间发生选择性的极化传递。进一步研究发现，在3C-SiC中，He及嬗变元素引入后，缺陷核心区域发生键伸长和局域失稳，而外围Si—C键发生收缩并增强，形成“核心软化—壳层强化”的空间分区结构。同时，He和空位引起的欠配位与键重构可驱动电荷重新分布和局域偶极极化-极化传递。由此建立了“核心失稳—外围键收缩与强化—电荷重新分布—偶极极化—电子态重构”的原子尺度演化图景。

该研究工作表明，辐照点缺陷不仅是晶格损伤中心，还可通过局域结构和电子重构协同改变SiC的力学与电子性质。该成果为理解SiC辐照硬化、电热输运演变及抗辐照性能提供了新的原子尺度视角。

固体所助理研究员惠均为论文的第一作者，吴学邦研究员为论文的通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金的资助。

相关论文链接:  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221926006060

              https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3050914926001822

图1. SiC中由空位或He诱导的键收缩以及费米能级。

图2. 掺杂元素后Si局部结构的成键核—壳结构与对应键长。

图3. He及空位偶极形成的动力学过程。(a) 原子空位和He掺杂原子共同扩大空腔体积；(b) 空位周围壳层区域的电荷分布与能量密度变化；(c) 高度局域化的电子聚集诱导位错边缘原子发生极化，使其转变为指向空位中心的偶极结构。