Nitride and amorphous/crystalline multilayers as hydrogen permeation barriers

材料科学 无定形固体 渗透 扩散阻挡层 氮化物 化学工程 图层(电子) 复合材料 氮化钛 扩散 阻挡层 冶金
作者
Balint Istvan Hajas,Vincenc Nemanič,Marko Žumer,Ardita Kurtishaj Hamzaj,Alexander Kirnbauer,Tomasz Wojcik,Szilard Kolozsvári,Paul Heinz Mayrhofer
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:211: 153638-153638 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2026.153638
摘要

Hydrogen-permeation remains a critical challenge for hydrogen-based energy systems, necessitating effective hydrogen permeation barrier (HPB) coatings. This study investigates nitride-based monolithic and multilayer (ML) coatings deposited by magnetron sputtering, including TiN, (Ti,Al)N, MoN/TaN, and Si-B-C-N-O, as well as TiN/AlN and Si-B-C-N-O/TiN MLs. Microstructural characterization revealed pronounced differences, ranging from columnar morphologies to glass-like, essentially columnar-free architectures. Hydrogen permeation resistance was evaluated on EUROFER97 substrates at 400 °C using a gaseous hydrogen permeation method and quantifying the permeation reduction factor (PRF). Monolithic crystalline coatings showed limited performance, with TiN reaching PRF ∼190, while (Ti,Al)N failed due to bias-induced defects. Contrary, TiN/AlN multilayers composed of alternating 2-nm-thin TiN and 1-nm-thin AlN layers achieved PRF >20000 by suppressing columnar diffusion paths. Amorphous Si-B-C-N-O exhibited excellent barrier performance (PRF >1000), which further improved in Si-B-C-N-O/TiN MLs (PRF ∼5300). These results demonstrate that interface engineering and microstructural control provide decisive design strategies for advanced HPBs. • TiN/AlN multilayer with 2 nm TiN and 1 nm AlN layer ratio reached PRF above 20000. • TiN and TiAlN show a correlation between reduction of defects and increase in PRF. • Amorphous Si-B-C-N-O coatings showed PRF above 1000. • Si-B-C-N-O/TiN (2:3) exhibit high PRF >5000 while boasting 28.3 ± 1.8 GPa hardness.
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