寧波材料所在超硬超導(dǎo)量子信息材料的單晶外延設(shè)備研制方面取得進(jìn)展
氮化鈦（TiN）是一種具有黃金光澤的難熔金屬陶瓷（熔點(diǎn)接近3000℃），具有超硬耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高化學(xué)穩(wěn)定性、超導(dǎo)、超高動(dòng)態(tài)電感、半導(dǎo)體兼容性和生物兼容性等一系列優(yōu)異性能，在超硬耐磨涂層、極端環(huán)境防護(hù)涂層、超導(dǎo)量子器件、半導(dǎo)體阻擋層、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。特別是除以上優(yōu)異性能外，該材料還具有高的載流子濃度（～7×1022cm-3）和超高的單光子品質(zhì)因子（～106），在等離激元光子學(xué)和超導(dǎo)量子信息領(lǐng)域的一些方面具有不可替代性。然而，由于TiN具有高熔點(diǎn)和復(fù)雜的化合物相圖，高品質(zhì)TiN單晶材料的制備需要苛刻的生長條件和精確的化學(xué)配比調(diào)控，是相關(guān)領(lǐng)域的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室曹彥偉研究員等一直致力于尖端科研設(shè)備的自主研制（專利：ZL 2011 1 0366653.8, Rev. Sci. Instru. 86, 083902 (2015), PNAS 112, 2367 (2015)）。近期，他們提出并設(shè)計(jì)了中能電子能量損失譜儀，與美國Rutgers大學(xué)的Chakhalian教授課題組合作，在高溫超導(dǎo)YBa2Cu3O7-δ (Tc～90K)薄膜中觀察到了一種新的激發(fā)態(tài)（EPL 128, 57001 (2019)），驗(yàn)證了該譜儀設(shè)計(jì)的可行性。最近，針對上述高品質(zhì)TiN單晶超導(dǎo)薄膜的制備難題，張如意博士和曹彥偉研究員等自主研制了原子級精度離軸磁控濺射系統(tǒng)（圖1（a）和（b）），該設(shè)備具有高真空（10-9 Torr）、高壓（105 Pa）和高溫（1200℃）特點(diǎn)（專利：ZL 2020 2 0835160.9；202011297238.7；202010512090.8）。
利用該原子級精度離軸磁控濺射系統(tǒng)，張如意博士和曹彥偉研究員（先進(jìn)納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室量子功能材料團(tuán)隊(duì)）等制備了一系列TiN單晶超導(dǎo)薄膜（圖1（c）和圖2（a）），發(fā)現(xiàn)沿<111>晶向生長的薄膜具有更加優(yōu)異的抗氧化性能，與劉海崗助理研究員合作（上海光源）利用X射線吸收譜技術(shù)測量了氧含量。他們與高俊華副研究員和曹鴻濤研究員等合作（先進(jìn)納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室功能薄膜和智構(gòu)器件團(tuán)隊(duì)）揭示了利用晶向依賴的抗氧化性能可調(diào)節(jié)TiN的光學(xué)性質(zhì)（圖2（b）和（c））。針對(111)晶面TiN薄膜抗氧化機(jī)理，碩士生馬倩瑩和黃良鋒研究員（中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋功能材料團(tuán)隊(duì)）利用密度泛函理論計(jì)算（DFT）揭示了（111）晶面TiN薄膜優(yōu)異抗氧化性起源于表面吸附O原子與晶格N原子置換過程具有較高的能量壁壘（5.09eV）。該研究工作進(jìn)一步驗(yàn)證了自主研制的過渡金屬氮化物單晶薄膜外延設(shè)備的功能性，并對研發(fā)抗氧化涂層、抗氧化等離激元器件和抗氧化超導(dǎo)量子諧振腔提供了思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Photonics, 2021，論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01827。
本研究工作受到國家自然科學(xué)基金（11874058，U2032126）、中國科學(xué)院、寧波市科技局的資助。
圖1 (a)原子級精度離軸磁控濺射設(shè)計(jì)示意圖，(b)實(shí)物圖，(c)TiN單晶超導(dǎo)薄膜實(shí)物圖
圖2 (a)不同取向和不同氧化程度的TiOxNy薄膜實(shí)物圖；(b)光學(xué)性質(zhì)；(c)抗氧化性和金屬性（等離激元性能）與晶面的關(guān)系
（納米實(shí)驗(yàn)室 張如意）