Al掺杂Cr2N薄膜的弹性、热力学及电子结构第一性原理研究及其在金刚石薄膜沉积中的应用

为解决不锈钢表面金刚石薄膜沉积中热应力大、成核难等问题，研究人员通过第一性原理计算研究了Al掺杂Cr2-xAlxN的结构稳定性、弹性模量（E/B/G）、热力学性能及电子结构。发现Al含量增加可降低材料脆性、提升热稳定性，并通过增强金属性改善金刚石薄膜附着力，为高性能中间层设计提供理论依据。

　　

不锈钢因其耐腐蚀性和低成本广泛应用于医疗器械、化工设备等领域，但其表面硬度不足导致易磨损。化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜可显著提升表面性能，但直接沉积面临三大难题：不锈钢与金刚石的热膨胀系数差异引发热应力；Fe元素催化石墨而非金刚石形成；碳原子在钢中高溶解度阻碍成核。传统解决方案是引入中间层，如CrN、Ti等，其中Cr₂N因能形成碳化铬促进成核而备受关注。然而，Al掺杂Cr₂N虽被证明可进一步提升结合力，其机理尚不明确。

为揭示Al的作用机制，浙江理工大学的研究团队采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，系统研究了Cr_2-xAl_xN（x=0~0.25）的弹性、热力学及电子结构特性。研究通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）完成，采用广义梯度近似（GGA-PBE）描述交换关联能，投影缀加波（PAW）势处理离子-电子相互作用，并通过Monkhorst-Pack网格采样布里渊区。

结构稳定性分析
通过形成焓计算证实Cr_2-xAl_xN的稳定性。结果显示，Al掺杂后结构仍保持稳定，为后续性能研究奠定基础。

弹性性能演变
随着Al含量（x）从0增至0.167，杨氏模量（E）、体积模量（B）和剪切模量（G）均下降，表明材料抗变形能力减弱。泊松比、Pugh判据和柯西压力分析进一步揭示材料脆性降低、韧性增强。当x=0.25时，材料趋于弹性各向同性，有利于应力均匀分布。

热力学性能调控
Al掺杂提升了Cr_2-xAl_xN的热稳定性，但热膨胀系数随之增大。德拜温度分析表明，x在0~0.167范围内，热导率与热稳定性先降后升（x>0.167时回升），这一非线性变化为中间层热匹配设计提供重要参考。

电子结构解析
能带与态密度分析显示，Al引入增加了Cr₂N的金属性，增强了电子离域效应。这一特性不仅解释了材料韧性提升的原因，还阐明了Al掺杂促进金刚石薄膜附着的电子层面机制——金属性增强利于界面电子转移，从而强化结合力。

该研究首次从原子尺度揭示了Al掺杂Cr₂N的性能调控规律，为优化金刚石/不锈钢体系中间层设计提供了理论指导。通过精准调控Al含量，可平衡材料的力学强度与韧性、热稳定性与热膨胀行为，最终实现高性能金刚石涂层的工业化应用。论文发表于《Vacuum》，其结论对拓展不锈钢在极端环境下的应用具有重要意义。