近期，固体物理研究所曾雉研究员课题组与美国麻省理工学院核科学与工程系的李巨（Ju Li）教授小组以及中国科学技术大学物理系丁泽军教授合作，在纳米结构核材料离子束初级辐照损伤模拟研究中取得进展，自主开发了“纳米结构核材料离子束辐照的三维蒙特卡洛”并行开源程序IM3D（Irradiated Microstructures in 3D）。相关成果发表在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开源程序也将在固体物理研究所物质计算科学研究室网页上同步发布（http://theory.issp.ac.cn/IM3D）。 复杂纳米结构材料在离子轰击下的辐照损伤行为研究备受关注。一方面，在核聚变高温等离子体作用下，面向等离子体材料会发生严重的表面损伤/重构，从而产生各种复杂的表面纳米结构，进一步影响材料表面的损伤行为和高温等离子体的稳定性。另一方面，纳米复合结构材料由于存在着高密度的界面，对可动缺陷有很好的吸收和湮灭效果，被认为是一类很有潜力的高抗辐照结构候选材料。而高能离子束轰击作为目前最有效的辐照手段之一，已被广泛地用于纳米结构材料抗辐照行为的研究中。因此，研究纳米结构材料在离子束辐照下的损伤问题，尤其是初级辐照损伤过程，是揭示其跨尺度损伤行为和高抗辐照性能的关键。由于实验上很难探测到初级辐照损伤过程中单次级联损伤事件（时间和空间尺度分别为~10-13-10-11s 和 10-9-10-8m），因而发展复杂结构体系离子束辐照的理论模拟方法，对于系统地探究纳米结构核材料在离子束辐照下初级损伤的新效应更加不可替代。
由于其简单高效，蒙特卡洛方法已成为模拟离子与固体相互作用的首选方法。然而对于纳米结构材料离子束初级辐照损伤模拟问题，SRIM/TRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）类型的蒙特卡洛程序一直受到三维结构通用性和计算效率的制约。为此，团队成员李永钢博士，通过采用快速数据库索引技术抽样弹性散射角和非弹性阻止本领，可选实体结构几何法（CSG）和有限元三角形网格法（FETM）构造任意复杂三维结构体系，自主开发了通用、高效和高并行效率的IM3D开源软件，在保持与SRIM/TRIM相同精度的同时，极大地拓宽了离子束辐照蒙特卡洛程序的普适性和高效性，可快速计算在任意几何结构、任意组分材料内各种初级辐照缺陷的三维空间分布。IM3D的模拟结果不仅与块体/多层膜体系的SRIM/TRIM的结果以及纳米体系的分子动力学结果很好地符合，同时单机计算效率提高2-3个数量级，并行计算效率可提升超过4个数量级，且并行效率达到80%以上。对于任意复杂的纳米结构体系，IM3D也可以在秒到分钟的时间内完成典型高能粒子初级辐照损伤的快速模拟。
基于IM3D，研究团队系统分析了纳米结构效应和纳米能量效应对纳米结构材料初级辐照损伤的影响、氧化物弥散增强钢中纳米Y2O3粒子稳定性和高抗辐照特性、离子溅射诱导的纳米线弯曲效应以及粗糙表面对D/He的初级滞留和表面溅射的增强/抑制作用等系列问题，证明IM3D对于揭示纳米结构材料辐照效应具有很大的应用空间。该开源程序为复杂结构材料离子束辐照的初级损伤效应提供了更为普适、高效的理论分析工具，也可拓展应用于模拟和定量评估离子注入和表面改性、半导体掺杂以及聚焦离子束（FIB）溅射和微纳加工等多个领域。
图1. IM3D整体技术架构
图2. IM3D模拟结果与SRIM（上图）和分子动力学（下图）结果对比
图3.（左）氧化物弥散增强钢（ODS）中Y2O3纳米粒子尺寸效应对体系稳定性的作用；（右）钨粗糙表面对D/He离子滞留和表面溅射的影响
图2. IM3D模拟结果与SRIM（上图）和分子动力学（下图）结果对比
图3.（左）氧化物弥散增强钢（ODS）中Y2O3纳米粒子尺寸效应对体系稳定性的作用；（右）钨粗糙表面对D/He离子滞留和表面溅射的影响