First Principles Calculation on the Surface Energy of Metal Nitride with NaCl Structure

Abstract

As described in this paper, using first principles calculation, we calculated the surface energy, which is important information to understand the high-release property. To confirm the accuracy of our calculations, we first calculated the lattice parameters of metal nitride crystals with NaCl structure. The calculated lattice parameters agreed with the experimental values with, at most, 2.7 % differences. Next, we calculated the surface energies of TiN, VN, CrN, ZrN, TaN, and NbN crystals. Results showed that the surface energy of CrN （100） was the lowest among （100） , （110） , and （111） surfaces. Calculation also showed that the surface energy of （100） was lower than that of （110） surface in the other metal nitride crystals. The （100） surface energy of CrN was the lowest among the calculated metal nitride crystals. Furthermore, results showed that the adsorption energy of an O atom on CrN （100） was the lowest among the metal nitride crystals. The results described herein indicate that first principles calculation, which deals with the ideal surface at the atomic scale, can be used to evaluate the surface energy of metal nitride. 1 ．緒 言 TiN や CrN などの NaCl 型 （B1） 構造を持つ金属窒化物は， 優れた耐摩耗性・耐酸化性・耐食性を有しているため，切削 工具や金型，機械部品などのハードコーティングとして広く 利用されている。金型に関しては，金型の長寿命化や製品の 高精度化を目的としてコーティングが適用されている。金型 コーティングの膜物性として，耐食性，耐摩耗性に加えて離 型性が必要とされている。金型コーティングの離型性を理解 するためには，成形物に対するぬれ や付着の状態を知るこ とが重要であるが，それらの現象は物理量としての表面エネ ルギーに支配されていると考えられる。そこで，我々は離型 性を知る上で重要な一つの情報として，表面エネルギーに着 目した。しかしながら，NaCl 型窒化物の表面エネルギーの 実験値はほとんど報告されていない。 ところで，第一原理計算法は量子力学を基礎とし，実験パ ラメータを用いることなくさまざまな材料物性を得ることが できる計算法である。この計算法により，TiN （100） と （110） の表面エネルギーとして，1.75 J/m と 3.13 J/m の値が報告 されている 。また， TiN 各結晶面の表面エネルギーについて， （111）>（110）>（100） の大小関係の結果が報告されている 。 しかし，TiN 以外の第一原理計算については，ほとんど報告 がない。そこで，本研究では，第一原理計算を用いて，NaCl 型窒化物の表面エネルギーを計算した。具体的な計算内容は 次のとおりである。まず，表面緩和や不純物の吸着がない理 想的な表面について，CrN 単結晶の表面エネルギーの面方位 依 存 性 を 計 算 し た。 同 様 の 計 算 を TiN，VN，ZrN，TaN， NbN 単結晶についても行った。なお，金属窒化物における 現実の表面は構造緩和が起こるとともに不純物 （とくに O 原 子） が吸着していると考えられる。今後，より現実に近い表 面を扱うことを前提に，本研究では，表面緩和および O 原 子の吸着に関する計算も行った。 2 ．計算手法と内容 本研究では，密度汎関数法 に基づく局所密度近似と擬ポ テンシャル法を用いた第一原理計算を行った。使用したプロ グラムパッケージはアクセルリス社製の CASTEP である。 この手法では，与えられた原子配置に対して電子系の支配方 程式である Kohn-Sham 方程式 を解くことによって系の基 底状態を求める。すなわち，0 K における静的な計算である。 波動関数を平面波で展開し，さらに平面波の数を少なくする ためウルトラソフト擬ポテンシャル を用いた。この擬ポテ ンシャルは，Si （100） 表面における Ge の吸着 や TiO （100） 表面における表面再構成の形成メカニズム に関する計算に 研 究 論 文