近日，鄭州大學材料科學與工程學院先進陶瓷課題組在國際頂級期刊《Carbon》（IF=9.594）發表題為“In-situ TEM observations of the structural stability in carbon nanotubes, nanodiamonds and carbon nano-onions under electron irradiation”的原創性研究論文。劉雯老師為論文通訊作者，碩士研究生林兆昀為論文第一作者，鄭州大學材料科學與工程學院為論文第一作者單位和通訊單位。

近年來，隨著納米結構在提高抗輻照性能方面逐漸展現出潛力，越來越多的研究者希望通過在現有候選核材料中添加碳納米材料，使新材料在獲得改善的抗輻照性能的同時具有優異的綜合性能。研究團隊采用原位透射電子顯微鏡(In–situ TEM)研究了游離態的1D多壁碳納米管(MWCNT)，0D納米金剛石(ND)和納米洋蔥碳(CNO)等幾種納米碳材料的抗電子輻照性能。從形貌、固有缺陷和sp2–sp3雜化三個關鍵因素入手，深入探討納米碳材料輻照損傷機理。通過HRTEM的研究發現不同碳結構在電子輻照下具有相似的缺陷類型，但卻表現出不同的結構穩定性。與直徑10~30 nm、長徑比200~2000的MWCNT相比，在高劑量(2.698 × 1025 e/cm2)和高電流密度(1.66 × 103 A/cm2和3.79 × 103 A/cm2)作用下，平均直徑為10 nm的ND和CNO具有更好的結構穩定性。固有缺陷的影響方面，通過比較多缺陷和少缺陷的CNO和CNT發現，材料中固有缺陷的存在導致納米碳材料在較低的劑量下就表現出結構穩定性的衰退。

圖1 不同碳納米材料電子輻照下結構穩定性比較，d為(002)的晶面間距

進一步比較sp3結構的ND和sp2結構的CNO發現，sp3結構在電子輻照下會向sp2結構轉變，而sp2結構本身則具有更好的穩定性。此外，缺陷的遷移方向可以通過是否內部空腔改變，這是由納米碳結構中的輻照誘導壓力所引起的。本研究建立了納米碳結構材料抗輻照性的評判標準，為輻照環境下含碳納米結構復合材料和功能器件的研制提供了合理的結構設計和工程指導。該項工作得到了國家自然科學基金青年科學基金項目和中國博士后科學基金經費的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.02.079