学术研究报告：超越DPA的原子尺度框架——YBa₂Cu₃O₇辐射损伤定量描述

一、作者与发表信息
本研究由Federico Ledda（意大利都灵理工大学、芬兰赫尔辛基大学）、Daniele Torsello（通讯作者，意大利都灵理工大学）等13位学者合作完成，发表于*Advanced Materials*期刊（2025年）。研究团队横跨意大利、芬兰、瑞典、英国等多国机构，涵盖材料科学、核物理与计算模拟领域。

二、学术背景
高温超导体YBa₂Cu₃O₇（YBCO）在核聚变反应堆、高能加速器等极端辐射环境中应用前景广阔，但其复杂晶体结构使传统辐射损伤模型（如NRT-DPA模型）难以准确描述缺陷产生与功能退化机制。现有研究表明，不同辐射粒子（如电子与中子）即使在同一DPA（Displacement Per Atom，原子位移数）剂量下，对超导临界温度（Tc）的抑制效果差异显著（图1a），凸显NRT-DPA模型的局限性。本研究旨在开发一种结合分子动力学（Molecular Dynamics, MD）与二元碰撞近似（Binary Collision Approximation, BCA）的多尺度原子模拟框架，定量预测YBCO的辐射损伤特征（如缺陷产额、团簇分布、损伤体积），为功能氧化物材料的辐射耐受性设计提供理论工具。

三、研究方法与流程
1. 低能级MD模拟（ keV）
- 研究对象：针对YBCO中四种原子（Y、Ba、Cu、O）分别作为初级击出原子（Primary Knock-on Atom, PKA），模拟能量范围1 eV–2 keV的碰撞级联。
- 方法细节：使用LAMMPS软件，基于已验证的YBCO势函数，模拟缺陷产生与重组过程。通过计算缺陷分布的旋转半径（rg）定义损伤区域为球形（图2a上）。
- 创新点：首次建立覆盖全PKA物种的低能级缺陷数据库，包含缺陷数量、类型及空间分布。

1. 高能级BCA模拟（>2 keV）

   • 方法：采用CASWIN代码模拟PKA能量高达MeV级的弹道相，将能量低于2 keV的子级联替换为MD数据库中的等效球形损伤区域（图2a下）。
     
   • 耦合策略：通过几何重构（图2b）与团簇分析（间距ξ，ξ=1.12 nm为超导相干长度）量化损伤体积与连通性（图2c）。
     

2. 实验验证与多尺度整合

   • 验证数据：对比电子与中子辐照实验（1 mDPA剂量），模型预测的缺陷团簇密度（电子：3.45×10¹⁹ cm⁻³；中子：1.44×10¹⁸ cm⁻³）与实验观测的Tc退化趋势一致（表1）。
     
   • 工具链：结合蒙特卡罗（MC）粒子输运代码（如PHITS）生成PKA能谱，实现从原子尺度到工程尺度的损伤预测。
     

四、主要结果
1. 缺陷产额与能量关系
- 低能区（<500 eV）：O-PKA主导缺陷产生（位移阈值最低），Y/Ba-PKA因动量传递高效形成密集级联（图3a）。 - 高能区（>0.5 MeV）：O-PKA缺陷产额饱和，电子阻止效应显著（图3a插图）。

1. 团簇形态差异

   • 中子辐照：产生少量大团簇（平均405缺陷/团簇），对应局域无序区域（图1c）。
     
   • 电子辐照：99%为小团簇（缺陷/团簇），孤立缺陷增强载流子散射（图1b）。
     

2. 损伤体积与功能关联

   • 电子辐照虽损伤体积分数略高（1.22% vs 0.98%），但小团簇对Tc的抑制更强（图1a），揭示缺陷空间分布对超导性能的关键影响。
     

五、结论与价值
本研究首次构建了适用于复杂氧化物（如YBCO）的辐射损伤多尺度模型，其科学价值体现在：
1. 理论突破：揭示了DPA模型无法捕捉的缺陷形态差异，提出“损伤体积分数”与“团簇密度”等新描述符。
2. 应用指导：为聚变堆超导磁体辐照实验设计提供预测工具，例如优化中子屏蔽层以减少高能PKA产生。
3. 方法普适性：框架可扩展至其他功能氧化物（如闪烁体、钙钛矿），适用于航空航天、高能物理等领域。

六、研究亮点
1. 方法创新：MD-BCA耦合策略兼顾计算效率与原子精度，解决了高能级联模拟的算力瓶颈。
2. 跨学科整合：融合材料科学、核物理与计算模拟，建立从PKA能谱到宏观性能的完整关联链。
3. 实验验证：通过电子/中子辐照对比，实证模型预测能力，弥补了传统DPA的不足。

七、其他贡献
- 开源工具链：Gmsh用于损伤体积可视化，CASWIN与LAMMPS脚本公开促进社区复用。
- 合作网络：依托EUROfusion联盟，推动产学研结合（如ENI能源公司参与）。