三维 Ti/TiN 界面
材料科学
2022-02-09 v1
摘要
界面按定义是二维（2-D）的，因为它分隔两相且在界面处结构与化学发生突变。金属与其氮化物之间的界面预期为原子级锐利，因为化学渐变将需要在氮化物中产生 N 空位并在金属中产生 N 间隙原子。与这一观念相反，利用第一性原理密度泛函理论（DFT），我们确定化学梯度化的 Ti/TiN 界面在热力学上优于锐利界面。DFT 计算的 TiN 中 N 空位形成能为 2.4 eV，Ti 中 N 间隙原子形成能为 -3.8 eV。因此，通过 TiN 中形成 N 空位和 Ti 中形成 N 间隙原子使 N 从 TiN 向 Ti 扩散，将降低 Ti-TiN 异质结构的内部能量。我们表明 N 的扩散在热力学上是有利的，直至约 23% 的 N 从 TiN 扩散到 Ti，形成原子级化学梯度界面，我们称之为三维界面。实验未能识别 Ti/TiN 中的三维界面，可归因于在界面处原子级分辨率下识别化学组成与结构的局限性。我们将 N 空位形成能与 N 间隙原子形成能之和定义为驱动力，这可作为评估金属/陶瓷异质结构中形成三维界面可能性的便捷方法。我们还展示了晶格参数与力学性能（如体模量、剪切模量、杨氏模量和硬度）在 Ti/TiN 界面处的渐变。三维界面开辟了控制金属/陶瓷异质结构性能的新途径，与已在微米尺度界面梯度化方面确立的优势一致。对于广泛研究的 Ti/TiN 多层纳米异质结构，形成三维界面的可能性可带来增强的耐磨与抗侵蚀性。
引用
@article{arxiv.2202.03757,
title = {3-D Ti/TiN Interface},
author = {Prince Gollapalli and Varalakshmi Jalligampala and Kishor Peddapuvvala and Prajeet Oza and Satyesh Kumar Yadav},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.03757},
year = {2022}
}