基于动力学蒙特卡洛的氢致辐照损伤仿真

关键词：蒙特卡洛；辐照损伤；空位团簇；分子动力学；多尺度仿真

一、文章简要介绍

聚变装置和半导体器件里，高能粒子轰击金属会留下空位和自间隙原子，两者复合是缺陷自愈合的关键路径，而氢偏偏会加重辐照损伤。北京航空航天大学团队在Nature Communications用多尺度仿真讲清了机理：氢吸附在空位团簇内表面，把局部应力场从拉应力反转成压应力，削弱对自间隙原子的远程吸引，复合半径被压低最多三成，缺陷自愈合被抑制（DOI：10.1038/s41467-026-75035-3）。

自间隙原子扩散轨迹、应力耦合机制与复合概率分布

哑铃自间隙原子沿111方向一维迁移，越过复合半径即与空位湮灭

图1里自间隙原子沿111方向一维迁移，六阶近邻以内几乎全复合，超过十五阶近邻概率降到49%。

空位团簇原子级应力场随氢含量由拉应力转为压应力

氢吸附让空位团簇内表面应力反转，对自间隙原子的远程吸引减弱

二、仿真步骤

步骤一：分子动力学计算复合半径。LAMMPS配合钨氢EAM势，5488个原子的超胞，300 K下先NPT平衡再NVT演化500 ps，哑铃自间隙原子与空位团簇相距最远3.8纳米，每种构型重复50次保证统计收敛，97%的复合事件发生在前200 ps内。

复合概率分布图与平均应力变化的线性关联

侧区复合概率随氢增多骤降，降幅与平均应力变化近似成正比

步骤二：应力场分析与模型拟合。VASP算W(110)表面应力做对照，MD侧统计空位团簇附近的原子级应力，氢吸附后拉压反转；进一步拟合出线性模型，复合半径降幅只由内表面氢密度决定，与团簇尺寸无关，在另外两个钨氢势下同样成立。

空位团簇维格纳赛茨胞与复合半径预测模型

复合半径降幅只由内表面氢密度决定，与团簇尺寸无关

步骤三：搭建动力学蒙特卡洛多尺度仿真。SRIM算沿深度的损伤分布并按每层0.02微米拼接，IM3D给出PKA谱，级联缺陷由MD提供；模拟盒60×60×1500纳米，模拟4小时钨离子辐照加39小时氢注入，再以3 K每分钟升温到1010 K跑热脱附。

沿深度方向的空位团簇分布与氢渗透通量

空位团簇沿深度分层统计，氢注入速率按层递推传入下一层

三、关键结果与发现

蒙特卡洛结果与实验对得相当齐：氢浓度深度分布复现NRA测量的缺陷稳定区，位置在0.8微米以内；热脱附谱全温区吻合实验峰形，同时辐照的氢滞留量比顺序辐照高1.98倍，450 K下比值1.55，800 K降到1.07。敏感性分析确认复合半径是决定缺陷存活的头号参数，机制链条闭环。

仿真与NRA、TDS实验的定量对比

氢浓度深度分布与热脱附谱均与实验定量吻合

图7的退火演化显示，同时辐照下小空位团簇在700 K前大量存活，顺序辐照则提前消失，氢稳定缺陷一目了然。

退火过程中缺陷密度演化的同时与顺序辐照对比

同时辐照下小空位团簇大量存活，缺陷被氢稳定

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真服务：①LAMMPS辐照级联与缺陷行为模拟；②VASP缺陷能量与应力计算；③动力学蒙特卡洛多尺度耦合建模；④SRIM注入损伤评估；⑤热脱附谱仿真对标。

如需相关服务，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。