氮化物涂層具有致密的晶格結(jié)構(gòu)、較高的結(jié)構(gòu)/化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能，能在許多重要服役環(huán)境(海洋、輻照、核電、催化、半導(dǎo)體)中為金屬部件和微型器件提供有效保護，在保護過程中會廣泛涉及到環(huán)境氫雜質(zhì)和涂層的相互作用過程。因此，研究氫雜質(zhì)在涂層中的微觀運動規(guī)律和機理對于科學(xué)研究和工程應(yīng)用而言非常重要。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點實驗室、前沿交叉科學(xué)研究中心黃良鋒研究員帶領(lǐng)團隊探究了氫雜質(zhì)在典型氮化物涂層(TiN和AlN)中復(fù)雜多變的穩(wěn)定性規(guī)律和運動行為，成功為其構(gòu)建了統(tǒng)一性的機理解釋。研究人員利用第一性原理計算方法，系統(tǒng)研究了氫雜質(zhì)在TiN和AlN晶格間隙和空位中的穩(wěn)定性和擴散行為，創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)氫雜質(zhì)穩(wěn)定性和其電子數(shù)之間呈現(xiàn)“火山曲線”的依賴關(guān)系，以此統(tǒng)一了氫雜質(zhì)在氮化物中的成鍵機理、穩(wěn)定性規(guī)律和動力學(xué)行為；擴展研究了氫雜質(zhì)在多種氮化物晶界結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性和擴散規(guī)律，進一步驗證了所發(fā)現(xiàn)的成鍵機理和“火山曲線”依賴關(guān)系具備普遍適用性。
 

　　本工作不僅統(tǒng)一了氮化物涂層中氫雜質(zhì)復(fù)雜多變行為背后的微觀機理，也為相關(guān)涂層設(shè)計準(zhǔn)則提供了底層原理依據(jù)。該項研究成果以“Chemical-bonding and lattice-deformation mechanisms unifying the stability and diffusion trends of hydrogen in TiN and AlN polymorphs”為題，發(fā)表在國際冶金領(lǐng)域頂級期刊《材料學(xué)報》上(Acta Materialia 2024, 281, 120447)。本論文的第一作者為2021級碩士生何欽生(寧波大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng))，通訊作者為黃良鋒研究員。該研究成果獲國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金項目(U21A20127)和面上項目(22272192)的支持。
 

圖1 氮化物涂層中多種微觀結(jié)構(gòu)上氫雜質(zhì)的成鍵機理、穩(wěn)定性和運動規(guī)律的統(tǒng)一性理解
 

圖2 氮化物涂層實際晶界中氫雜質(zhì)的穩(wěn)定性和運動行為的計算結(jié)果