Al掺杂调控Ti表面氮化过程中氮渗透效率的原子机制研究

《Computational and Theoretical Chemistry》：Substitution dopant Al regulates the N penetration efficiency of nitriding Ti surfaces

本文通过密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了替代掺杂原子Al对钛（Ti）表面氮（N）吸附和渗透行为的调控机制。研究发现Al掺杂可同时促进N的解吸与吸附效率，从热力学角度显著降低N从表面向次表层渗透的能垒，为揭示Al催化Ti表面氮化反应的内在机理提供了理论依据，对高性能钛合金设计与高效氮化工艺开发具有重要指导意义。

　　

^Highlight

Al掺杂通过调节表面构型与原子键合，显著降低氮穿透能垒，为钛表面高效氮化提供原子尺度见解。

^Method

所有计算均基于维也纳从头算模拟软件包（VASP）的密度泛函理论（DFT）框架。采用广义梯度近似（GGA-PBE）处理电子交换关联作用，投影缀加波（PAW）描述电子-离子相互作用。表面模型的总能量与原子力收敛标准分别设为10^-5 eV和0.01 eV/?。

^{Results and discussion}

图1展示了计算策略概要。图1(a)(b)分别呈现了清洁表面模型与N的潜在吸附位点。基于前期研究，构建了Ti(0001)表面2×2×1超晶胞模型，顶部两层原子弛豫而底部四层固定，并设置15?真空层避免周期性边界效应。在晶体结构约束下，四个潜在吸附位点（FCC、HCP、ATOP、BRIDGE）被系统考察。值得注意的是，次表层Al掺杂会引起表面-次表层间距收缩，直接增强FCC位点的N吸附能力。Al在其他掺杂条件下仍保持削弱N吸附的整体趋势。吸附能分析表明，Al通过同时提升解吸与吸附效率，从热力学角度促进N渗透。基于爬坡弹性带（CI-NEB）方法计算的穿透路径结果进一步验证了这一趋势。

^Conclusion

本研究通过DFT理论揭示了外来替代原子调控N渗透速率的内在机制。N优先占据FCC与HCP位点，Al掺杂后此趋势保持不变。次表层Al通过引发层间收缩轻微增强FCC位点吸附能力，而其他掺杂条件均弱化N吸附。Al对N吸附的削弱作用与穿透能垒的降低存在协同效应，为理解Al催化氮化过程提供了电子尺度本质解释。