寧波材料所在大尺寸超導氮化物單晶薄膜制備方面取得進展
與多晶薄膜材料不同，單晶薄膜材料具有長程有序的周期性原子結構。因此，單晶薄膜材料的缺陷更少，性能往往更優(yōu)異（如更高的電子遷移率、更高的壓電系數(shù)等），而且其具有可被實驗觀測的動量空間物理量（如電子的能帶結構、元激發(fā)色散等），是電子信息、光學、凝聚態(tài)物理等領域的材料基礎。而高品質、大尺寸單晶薄膜材料的可控制備是研制實用化集成光電子器件的前提。過渡金屬氮化物（如氮化鈦TiN、氮化釩VN等）是一類可應用在極端環(huán)境下的材料，在諸多領域具有廣泛而重要的應用。由于具有優(yōu)良的半導體、生物兼容性，優(yōu)異的機械、化學與熱穩(wěn)定性，突出的超導和等離激元性能，其在超導量子信息和高溫等離激元光子學領域的某些方面具有不可替代性。然而，作為一種難熔金屬陶瓷，高品質、大尺寸過渡金屬氮化物單晶薄膜的可控制備對生長溫度、生長氣壓、生長氣體、晶格匹配等各方面都提出了極高的要求，是相關領域長期以來的一項挑戰(zhàn)。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進納米材料與器件實驗室量子功能材料團隊曹彥偉研究員等近年來一直致力于高品質過渡金屬氮化物單晶薄膜的制備及其物態(tài)調控研究。前期，他們自主研制了氮化物單晶薄膜生長專用的原子級濺射外延設備（專利ZL 202020835160.9，202011297238.7，202010512090.8，AIP Advances 10, 055113 (2020)；ACS Photonics 8, 847 (2021)等）。近期，博士生畢佳暢、張如意助理研究員、曹彥偉研究員等，解決了TiN單晶薄膜大失配外延生長的難題（Phys. Rev. Mater. 5, 075201 (2021)），成功在晶格失配高達～-15.4% 的YAlO3襯底上實現(xiàn)了高質量TiN單晶薄膜的外延。與高俊華副研究員、曹鴻濤研究員等合作開展了橢偏光譜測量，表明該大失配外延薄膜仍然具有優(yōu)異的等離激元性能，該工作對構建氮化物-氧化物混合光電子器件提供了新思路。論文鏈接：https://journals.aps.org/prmaterials/pdf/10.1103/PhysRevMaterials.5.075201。
最近，在上述基礎上，張如意助理研究員、博士生畢佳暢、曹彥偉研究員等進一步克服了大尺寸單晶薄膜的制備難題，分別在晶圓級（2英寸）剛性（藍寶石Al2O3）與柔性（氟晶云母F-mica）襯底上實現(xiàn)了TiN單晶薄膜的制備與物態(tài)調控。由于具有較大的剛性，塊體無機功能材料通常在彎折下會產生顯著裂紋，但是將無機功能薄膜材料沉積在柔性襯底上可以獲得良好的柔性。然而，柔性襯底一般為有機材料，其存在結晶程度低、晶格不匹配、不耐受高溫的缺點，無法滿足柔性TiN薄膜外延的要求。他們將單晶二維層狀材料——氟晶云母（F-mica）替代有機材料作為柔性襯底，實現(xiàn)了大尺寸柔性TiN單晶薄膜的制備（如圖1a所示）。通過與中科院物理所博士生李欣巖、張慶華副研究員、谷林研究員合作，利用掃描透射電鏡表征原子尺度下TiN/F-mica薄膜結構，表明薄膜具有良好單晶性質。通過與納米實驗室曹鴻濤研究員合作，利用橢偏光譜表征薄膜光學性質，結果表明該柔性TiN薄膜具有與剛性TiN薄膜可比擬的優(yōu)異等離激元性能（如圖1b所示）。進一步，他們發(fā)現(xiàn)通過彎曲薄膜施加的應變可以調控TiN的超導轉變溫度（5.2～5.3K），表現(xiàn)為面內拉伸應變可增強超導轉變溫度（如圖1b所示）。通過與中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室黃良鋒研究員合作開展第一性原理計算，結果表明應變可以調控TiN單晶薄膜中電子-聲子耦合強度，從而改變超導轉變溫度（如圖1c所示）。該研究工作為構建高性能柔性光電子與柔性超導量子器件奠定了材料基礎。相關研究成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021，論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c18278。
本研究工作得到國家自然科學基金（11874058、52025025、52072400、U2032126、12004399）、浙江省自然科學基金、寧波市重大科技專項（2018B10060）等項目的支持。
圖1 a）2英寸TiN單晶薄膜、柔性展示、及其掃描透射電鏡原子成像；b）柔性TiN薄膜等離激元性能與彎折應變調控的超導轉變溫度；c）第一性原理計算得到的聲子譜與聲子態(tài)密度
（納米實驗室 張如意 畢佳暢）