氮化物涂层具有致密的晶格结构、较高的结构/化学稳定性和优异的力学性能，能在许多重要服役环境（海洋、辐照、核电、催化、半导体）中为金属部件和微型器件提供有效保护，在保护过程中会广泛涉及到环境氢杂质和涂层的相互作用过程。因此，研究氢杂质在涂层中的微观运动规律和机理对于科学研究和工程应用而言非常重要。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室、前沿交叉科学研究中心黄良锋研究员带领团队探究了氢杂质在典型氮化物涂层（TiN和AlN）中复杂多变的稳定性规律和运动行为，成功为其构建了统一性的机理解释。研究人员利用第一性原理计算方法，系统研究了氢杂质在TiN和AlN晶格间隙和空位中的稳定性和扩散行为，创新性地发现氢杂质稳定性和其电子数之间呈现“火山曲线”的依赖关系，以此统一了氢杂质在氮化物中的成键机理、稳定性规律和动力学行为；扩展研究了氢杂质在多种氮化物晶界结构中的稳定性和扩散规律，进一步验证了所发现的成键机理和“火山曲线”依赖关系具备普遍适用性。

本工作不仅统一了氮化物涂层中氢杂质复杂多变行为背后的微观机理，也为相关涂层设计准则提供了底层原理依据。该项研究成果以“Chemical-bonding and lattice-deformation mechanisms unifying the stability and diffusion trends of hydrogen in TiN and AlN polymorphs”为题，发表在国际冶金领域顶级期刊《材料学报》上（Acta Materialia 2024, 281, 120447）。本论文的第一作者为2021级硕士生何钦生（宁波大学联合培养），通讯作者为黄良锋研究员。该研究成果获国家自然科学基金委联合基金项目（U21A20127）和面上项目（22272192）的支持。

图1 氮化物涂层中多种微观结构上氢杂质的成键机理、稳定性和运动规律的统一性理解

图2 氮化物涂层实际晶界中氢杂质的稳定性和运动行为的计算结果

（前沿交叉科学研究中心 叶锦涛）