近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員曾雉課題組與美國麻省理工學院核科學與工程系教授李巨（Ju Li）小組以及中國科學技術大學物理系教授丁澤軍合作，在納米結構核材料離子束初級輻照損傷模擬研究中取得進展，自主開發了“納米結構核材料離子束輻照的三維蒙特卡洛”并行開源程序IM3D（Irradiated Microstructures in 3D）。相關成果發表在Scientific Reports上（Li, Y.G. et al.IM3D: A parallel Monte Carlo code for efficient simulations of primary radiation displacements and damage in 3D geometry. Sci. Rep. 2015, 5, 18130; doi: 10.1038/srep18130）。IM3D開源程序也將在固體物理研究所物質計算科學研究室網頁上同步發布。
復雜納米結構材料在離子轟擊下的輻照損傷行為研究備受關注。一方面，在核聚變高溫等離子體作用下，面向等離子體材料會發生嚴重的表面損傷/重構，從而產生各種復雜的表面納米結構，進一步影響材料表面的損傷行為和高溫等離子體的穩定性。另一方面，納米復合結構材料由于存在著高密度的界面，對可動缺陷有很好的吸收和湮滅效果，被認為是一類很有潛力的高抗輻照結構候選材料。而高能離子束轟擊作為目前最有效的輻照手段之一，已被廣泛地用于納米結構材料抗輻照行為的研究中。因此，研究納米結構材料在離子束輻照下的損傷問題，尤其是初級輻照損傷過程，是揭示其跨尺度損傷行為和高抗輻照性能的關鍵。由于實驗上很難探測到初級輻照損傷過程中單次級聯損傷事件（時間和空間尺度分別為~10-13-10-11s 和 10-9-10-8m），因而發展復雜結構體系離子束輻照的理論模擬方法，對于系統地探究納米結構核材料在離子束輻照下初級損傷的新效應更加不可替代。
由于其簡單高效，蒙特卡洛方法已成為模擬離子與固體相互作用的首選方法。然而對于納米結構材料離子束初級輻照損傷模擬問題，SRIM/TRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）類型的蒙特卡洛程序一直受到三維結構通用性和計算效率的制約。為此，團隊成員李永鋼通過采用快速數據庫索引技術抽樣彈性散射角和非彈性阻止本領，可選實體結構幾何法（CSG）和有限元三角形網格法（FETM）構造任意復雜三維結構體系，自主開發了通用、高效和高并行效率的IM3D開源軟件，在保持與SRIM/TRIM相同精度的同時，極大地拓寬了離子束輻照蒙特卡洛程序的普適性和高效性，可快速計算在任意幾何結構、任意組分材料內各種初級輻照缺陷的三維空間分布。IM3D的模擬結果不僅與塊體/多層膜體系的SRIM/TRIM的結果以及納米體系的分子動力學結果很好地符合，同時單機計算效率提高2-3個數量級，并行計算效率可提升超過4個數量級，且并行效率達到80%以上。對于任意復雜的納米結構體系，IM3D也可以在秒到分鐘的時間內完成典型高能粒子初級輻照損傷的快速模擬。
基于IM3D，研究團隊系統分析了納米結構效應和納米能量效應對納米結構材料初級輻照損傷的影響、氧化物彌散增強鋼中納米Y2O3粒子穩定性和高抗輻照特性、離子濺射誘導的納米線彎曲效應以及粗糙表面對D/He的初級滯留和表面濺射的增強/抑制作用等系列問題，證明IM3D對于揭示納米結構材料輻照效應具有很大的應用空間。該開源程序為復雜結構材料離子束輻照的初級損傷效應提供了更為普適、高效的理論分析工具，也可拓展應用于模擬和定量評估離子注入和表面改性、半導體摻雜以及聚焦離子束（FIB）濺射和微納加工等多個領域。
圖1. IM3D整體技術架構
圖2. IM3D模擬結果與SRIM（上圖）和分子動力學（下圖）結果對比
圖3.（左）氧化物彌散增強鋼（ODS）中Y2O3納米粒子尺寸效應對體系穩定性的作用；（右）鎢粗糙表面對D/He離子滯留和表面濺射的影響