氮化物涂層具有致密的晶格結構、較高的結構/化學穩定性和優異的力學性能，能在許多重要服役環境(海洋、輻照、核電、催化、半導體)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境氫雜質和涂層的相互作用過程。因此，研究氫雜質在涂層中的微觀運動規律和機理對于科學研究和工程應用而言非常重要。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料重點實驗室、前沿交叉科學研究中心黃良鋒研究員帶領團隊探究了氫雜質在典型氮化物涂層(TiN和AlN)中復雜多變的穩定性規律和運動行為，成功為其構建了統一性的機理解釋。研究人員利用第一性原理計算方法，系統研究了氫雜質在TiN和AlN晶格間隙和空位中的穩定性和擴散行為，創新性地發現氫雜質穩定性和其電子數之間呈現“火山曲線”的依賴關系，以此統一了氫雜質在氮化物中的成鍵機理、穩定性規律和動力學行為；擴展研究了氫雜質在多種氮化物晶界結構中的穩定性和擴散規律，進一步驗證了所發現的成鍵機理和“火山曲線”依賴關系具備普遍適用性。
 

　　本工作不僅統一了氮化物涂層中氫雜質復雜多變行為背后的微觀機理，也為相關涂層設計準則提供了底層原理依據。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，發表在國際冶金領域頂級期刊《材料學報》上(Acta Materialia 2024, 281, 120447)。本論文的第一作者為2021級碩士生何欽生(寧波大學聯合培養)，通訊作者為黃良鋒研究員。該研究成果獲國家自然科學基金委聯合基金項目(U21A20127)和面上項目(22272192)的支持。
 

圖1 氮化物涂層中多種微觀結構上氫雜質的成鍵機理、穩定性和運動規律的統一性理解
 

圖2 氮化物涂層實際晶界中氫雜質的穩定性和運動行為的計算結果