稀土在如滲碳、滲氮、噴涂等表面處理技術(shù)中有著廣泛的應用。稀土輔助滲氮被證明有助于促進擴滲速率，提高滲層厚度，改善滲層性能。然而，相應的機制尚不清晰。近年來，第一性原理計算被廣泛用來研究微觀尺度的原子相互作用，從而揭示實驗現(xiàn)象深層次下的一些微觀機制。

安徽工業(yè)大學現(xiàn)代表界面工程研究中心張世宏教授團隊的一項最新研究中，通過第一性原理研究稀土元素對氮原子在體心立方鐵表面吸附和擴散的影響，揭示了稀土滲氮的催滲機制。相關(guān)論文以題為“First-principles analysis on the role of rare-earth doping in affecting nitrogen adsorption and diffusion at Fe surface towards clarified catalytic diffusion mechanism innitriding”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域國際頂刊Acta Materialia。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420304523

在文中，首先計算了體心立方鐵的體結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)性能，計算了氮的吸附性能，與其它文獻計算或?qū)嶒灥慕Y(jié)果吻合，證明了本計算方法的可靠性。接著建模模擬了稀土元素在體心立方鐵中的占位，計算了稀土元素摻雜的體心立方鐵表面氮原子的吸附情況。稀土元素摻雜對氮原子的優(yōu)先占位和吸附能均產(chǎn)生了影響，其中La摻雜提高了體心立方鐵表面對氮原子的吸附能力，這與實驗觀察到稀土滲氮表面較高的氮含量結(jié)果吻合。通過bader電荷和馳豫后的結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)了較強的La-N作用，解釋了La元素摻雜后氮原子吸附能的提高。

稀土元素摻雜體心立方鐵表面吸附氮原子

稀土元素摻雜體心立方鐵表面氮原子的吸附能

進一步地，文章對氮原子在體心立方鐵次表面的吸附進行了計算，氮原子傾向于占據(jù)八面體間隙，而稀土元素摻雜有助于氮原子在八面體間隙的吸附?？紤]到氮原子從表面擴散至次表面的過程是滲氮的決速步，利用CI-NEB計算方法對該過程進行計算，研究發(fā)現(xiàn)稀土元素摻雜對擴散能壘的降低有幫助?？偨Y(jié)了稀土La和Ce的催滲機制：La能夠改善氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，并略微降低了氮原子在體心立方鐵表面擴散至次表面的能壘；Ce略微削弱了氮原子在體心立方鐵表面的吸附能力，但是大幅度地降低了氮原子在體心立方鐵表面擴散至次表面的能壘。

這項研究將有助于深入了解稀土在表面處理技術(shù)中發(fā)揮的作用，為稀土表面處理技術(shù)的優(yōu)化提供理論支撐，也為第一性原理揭示表面處理的微觀機制提供了一個范例。

稀土元素摻雜體心立方鐵次表面吸附氮原子

稀土元素摻雜體心立方鐵表面氮原子的擴散

審核編輯 ：李倩