【摘要】 本研究采用SEAKMC与第一性原理计算，揭示钨(100)、(110)、(111)表面点缺陷迁移能垒及扩散各向异性特征。发现(110)表面扩散率最高且各向异性稳定，(111)呈现各向同性扩散，为核聚变装置材料表面形貌演化提供关键理论支撑。

作为未来核聚变装置等离子体面壁材料的核心候选，金属钨在极端辐照环境下的表面缺陷行为直接影响装置服役寿命。本团队通过多尺度模拟方法，系统揭示了不同晶面点缺陷的迁移特征与扩散规律，为理解辐照诱导表面形貌演化提供了关键理论依据。

 

研究方法与技术路线

本研究创新性地采用自演化原子动力学蒙特卡罗(SEAKMC)与第一性原理计算相结合的多尺度方法：

1.​路径搜索阶段：通过SEAKMC算法在W(100)、(110)、(111)表面自动识别点缺陷迁移路径

2.能垒计算阶段：基于密度泛函理论(DFT)精确计算迁移能垒(MEB)

3.扩散模拟阶段：将路径参数输入动力学蒙特卡罗(KMC)模型，构建扩散张量分析各向异性

图 1.(1 0 0)、(1 1 0)、(1 1 1) 和重构 (1 0 0) 表面上点缺陷的最近邻位点的顶视图。

 

关键发现与机理分析

1. 晶面依赖性扩散特征

  • ​**(100)表面**：存在3种吸附原子/4种空位迁移机制，重构表面导致各向异性扩散
  • ​**(110)表面**：最低迁移能垒(0.35-0.65eV)，保持D2群对称性的稳定各向异性
  • ​**(111)表面**：呈现完全各向同性扩散，吸附原子扩散率最低（1.2×10⁻⁷ cm²/s @800K）

2. 温度效应与各向异性演化

  • ​重构(100)表面：温度升高使各向异性因子从2.1降至1.5（500-1200K）
  • ​**(110)表面**：保持1/3固定各向异性因子，与温度无关
  • ​理论模型：提出四类各向异性扩散机制，建立温度-扩散率预测方程

 

工程应用价值

研究成果已应用于：

1.辐照损伤多尺度模拟框架构建

2.表面起泡/绒毛形成机理解析

3.面向等离子体材料优化设计

4.溅射产额计算模型修正

 

参考文献：[1]Hao J, Jin S, Lu G H, et al. Migration energy barriers and diffusion anisotropy of point defects on tungsten surfaces[J]. Computational Materials Science, 2020, 184: 109893.

 

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