【產通社，12月25日訊】中國科學院（Chinese Academy of Sciences）官網消息，物理研究所與北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的博士研究生金橋在郭爾佳特聘研究員的指導下，與金奎娟研究員、谷林研究員、朱濤研究員以及南方科技大學的王善民助理教授和中國科學院寧波材料技術與工程研究所的楊洪新研究員組成研究團隊，利用活性氮原子源輔助的脈沖激光沉積技術成功制備了準確化學配比的高結晶質量的CrN薄膜。單原胞層厚度的CrN的高分辨掃描透射電鏡圖和單晶X射線衍射結果均表明制備的CrN薄膜具有極高的結晶質量。X射線吸收譜也證實了CrN中的Cr離子保持+3價，沒有探測到氮空位，具有準確化學計量比。研究團隊利用磁交換偏置和極化中子反射技術測量了Ta/Co/CrN多層膜，證實了CrN薄膜保持其反鐵磁特性。

進一步的研究結果表明，與過渡金屬氧化物薄膜普遍在5至6原胞層出現(xiàn)電子態(tài)轉變不同，CrN超薄膜在厚度小于30原胞層時才會發(fā)生金屬—絕緣體相變，同時伴隨著CrN晶胞體積增加、原子密度和載流子濃度急劇下降。值得指出的是，研究團隊發(fā)現(xiàn)單原胞層厚度的CrN薄膜仍然呈現(xiàn)出電阻率為1Ω·cm的良好導電性。該導電薄膜的厚度遠遠低于絕大多數(shù)過渡金屬氧化物薄膜的臨界厚度，為該材料在制備透明導電電極方面的應用奠定了基礎。

研究團隊系統(tǒng)研究了薄膜與襯底之間的晶格失配應力對CrN電子態(tài)的影響。當薄膜承受張應力時，CrN保持良好的金屬性；當對薄膜施加微弱壓應力時，CrN發(fā)生金屬—絕緣體轉變，電阻值極劇增加。為了去除襯底應力作用，研究團隊利用水溶性Sr3Al2O6薄膜作為犧牲層，在浸泡水溶液后，CrN單晶薄膜從MgO襯底剝離，在國際上首次獲得了自支撐氮化物超薄層材料。該自支撐材料在去除了襯底應力作用后，其電子態(tài)從絕緣性恢復為金屬性，說明了本征應力是誘發(fā)電子態(tài)轉變的關鍵因素。在實驗上，研究團隊利用X射線線偏振譜證明了晶格應力將高效改變晶格場，改變t2g和eg軌道之間的能級劈裂的程度，進而調控CrN中巡游電子的數(shù)量。研究團隊開展的第一性原理計算結果表明，CrN的間接能隙隨著薄膜厚度減小和面內應力增加而增大。該變化趨勢與實驗觀測結果完全一致。

本研究結果不僅提供了高質量氮化物單晶薄膜的制備方法，而且觀測到氮化物的電子態(tài)隨厚度和應力改變的變化趨勢，同時首次獲得了不受襯底應力影響的自支撐氮化物薄膜，為具有相似結構和物性的過渡金屬氮化物薄膜的精細能帶結構預測、宏觀物理特性調控和多功能器件設計提供了重要理論依據(jù)和實驗參考。相關內容以“Strain-mediated high conductivity in ultrathin antiferromagnetic metallic nitrides”為題發(fā)表在Advanced Materials上。

論文第一作者為博士研究生金橋。王善民助理教授、楊洪新研究員、金奎娟研究員和郭爾佳特聘研究員為共同通訊作者。本工作得到了中國科學院物理研究所先進材料與結構實驗室張慶華副研究員、谷林研究員和美國亞利桑那州立大學的Manuel Roldan博士在高分辨透射電鏡方面，中國科學院物理研究所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心的朱濤研究員在極化中子反射測量方面，中國科學院高能物理研究所王嘉鷗研究員在X射線吸收譜方面以及鄭州大學物理與電子工程學院郭海中教授在輸運測量方面的支持。該工作得到了科技部重點研發(fā)計劃（2019YFA0308500和2020YFA0309100）、國家自然科學基金委（11974390,52025025和52072400）、北京市科技新星計劃(Z191100001119112)、北京市自然科學基金（2202060）、中國科學院B類先導專項(XDB33030200)等項目的支持。該工作利用的國內大科學裝置包括中國散裂中子源多功能中子反射線站、北京正負電子對撞機1W1A和4B9B線站以及上海同步輻射光源14B1線站等。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://www.cas.cn，以及http://doi.org/10.1002/adma.202005920。（robin zhang, 張底剪報）    （完）