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宁波材料所在大尺寸超导氮化物单晶薄膜制备方面取得进展

       与多晶薄膜材料不同,单晶薄膜材料具有长程有序的周期性原子结构。因此,单晶薄膜材料的缺陷更少,性能往往更优异(如更高的电子迁移率、更高的压电系数等),而且其具有可被实验观测的动量空间物理量(如电子的能带结构、元激发色散等),是电子信息、光学、凝聚态物理等领域的材料基础。而高品质、大尺寸单晶薄膜材料的可控制备是研制实用化集成光电子器件的前提。过渡金属氮化物(如氮化钛TiN、氮化钒VN等)是一类可应用在极端环境下的材料,在诸多领域具有广泛而重要的应用。由于具有优良的半导体、生物兼容性,优异的机械、化学与热稳定性,突出的超导和等离激元性能,其在超导量子信息和高温等离激元光子学领域的某些方面具有不可替代性。然而,作为一种难熔金属陶瓷,高品质、大尺寸过渡金属氮化物单晶薄膜的可控制备对生长温度、生长气压、生长气体、晶格匹配等各方面都提出了极高的要求,是相关领域长期以来的一项挑战。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进纳米材料与器件实验室量子功能材料团队曹彦伟研究员等近年来一直致力于高品质过渡金属氮化物单晶薄膜的制备及其物态调控研究。前期,他们自主研制了氮化物单晶薄膜生长专用的原子级溅射外延设备(专利ZL 202020835160.9,202011297238.7,202010512090.8,AIP Advances 10, 055113 (2020);ACS Photonics 8, 847 (2021)等)。近期,博士生毕佳畅、张如意助理研究员、曹彦伟研究员等,解决了TiN单晶薄膜大失配外延生长的难题(Phys. Rev. Mater. 5, 075201 (2021)),成功在晶格失配高达~-15.4% 的YAlO3衬底上实现了高质量TiN单晶薄膜的外延。与高俊华副研究员、曹鸿涛研究员等合作开展了椭偏光谱测量,表明该大失配外延薄膜仍然具有优异的等离激元性能,该工作对构建氮化物-氧化物混合光电子器件提供了新思路。论文链接:https://journals.aps.org/prmaterials/pdf/10.1103/PhysRevMaterials.5.075201

  最近,在上述基础上,张如意助理研究员、博士生毕佳畅、曹彦伟研究员等进一步克服了大尺寸单晶薄膜的制备难题,分别在晶圆级(2英寸)刚性(蓝宝石Al2O3)与柔性(氟晶云母F-mica)衬底上实现了TiN单晶薄膜的制备与物态调控。由于具有较大的刚性,块体无机功能材料通常在弯折下会产生显著裂纹,但是将无机功能薄膜材料沉积在柔性衬底上可以获得良好的柔性。然而,柔性衬底一般为有机材料,其存在结晶程度低、晶格不匹配、不耐受高温的缺点,无法满足柔性TiN薄膜外延的要求。他们将单晶二维层状材料——氟晶云母(F-mica)替代有机材料作为柔性衬底,实现了大尺寸柔性TiN单晶薄膜的制备(如图1a所示)。通过与中科院物理所博士生李欣岩、张庆华副研究员、谷林研究员合作,利用扫描透射电镜表征原子尺度下TiN/F-mica薄膜结构,表明薄膜具有良好单晶性质。通过与纳米实验室曹鸿涛研究员合作,利用椭偏光谱表征薄膜光学性质,结果表明该柔性TiN薄膜具有与刚性TiN薄膜可比拟的优异等离激元性能(如图1b所示)。进一步,他们发现通过弯曲薄膜施加的应变可以调控TiN的超导转变温度(5.2~5.3K),表现为面内拉伸应变可增强超导转变温度(如图1b所示)。通过与中科院海洋新材料与应用技术重点实验室黄良锋研究员合作开展第一性原理计算,结果表明应变可以调控TiN单晶薄膜中电子-声子耦合强度,从而改变超导转变温度(如图1c所示)。该研究工作为构建高性能柔性光电子与柔性超导量子器件奠定了材料基础。相关研究成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021,论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c18278

  本研究工作得到国家自然科学基金(11874058、52025025、52072400、U2032126、12004399)、浙江省自然科学基金、宁波市重大科技专项(2018B10060)等项目的支持。

图1 a)2英寸TiN单晶薄膜、柔性展示、及其扫描透射电镜原子成像;b)柔性TiN薄膜等离激元性能与弯折应变调控的超导转变温度;c)第一性原理计算得到的声子谱与声子态密度

(纳米实验室 张如意 毕佳畅)

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