超薄導電材料在透明顯示器、柔性電子皮膚、可穿戴光伏器件等方面具有廣闊的應用前景，是應用材料的前沿。 現代微電子器件不僅要求這些超薄材料具有優異的導電性和透光性，還要求它們具有更豐富的物理特性，如磁性、熱電性、延展性和耐腐蝕性等，用于下一代的設計移動智能 多功能設備提供替代材料。 過渡金屬氮化鉻（CrN）是結合了這些優異物理性能的理想材料之一。 室溫下，CrN塊體材料表現出金屬特性，其載流子濃度約為-3，遷移率約為·V-1·s-1。 當溫度低于10℃時，CrN的晶體結構由立方相轉變為斜方相，其磁基態也將從順磁性轉變為反鐵磁性，并伴隨著電阻率的突變。 CrN的天然反鐵磁金屬性使其既不存在雜散場薄膜厚度高中物理，又不易受到外部磁場干擾，可用于制備超快、保密、高密度、低能量的磁存儲器件。 然而，制備具有高結晶質量和均勻化學成分的氮化鉻單晶塊體和薄膜具有挑戰性。 一方面，氮化鉻單晶的合成一般需要超高溫、超高壓的極端環境。 另一方面，氮空位和氧摻雜都會影響氮化鉻薄膜材料的物理性能。 因此，氮化鉻膜是金屬相還是絕緣相、順磁相還是反鐵磁相一直存在爭議。
金喬，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心博士研究生，師從特聘研究員郭爾佳，研究員金奎娟、顧林、朱濤，助理研究員南方科技大學王善民教授與中科院寧波材料技術與工程研究所楊紅新研究員組成研究團隊，利用脈沖激光成功制備出化學配比精確的高結晶質量CrN薄膜活性氮原子源輔助沉積技術。 單晶層厚度的CrN的高分辨率掃描透射電子顯微鏡圖像和單晶X射線衍射結果均表明所制備的CrN薄膜具有較高的晶體質量（圖1）。 X射線吸收光譜也證實CrN中的Cr離子保持+3價，未檢測到氮空位，化學計量比準確。 該研究利用磁交換偏置和極化中子反射技術測量了 Ta/Co/CrN 多層薄膜，證實 CrN 薄膜保持了其反鐵磁特性。 進一步研究表明，與過渡金屬氧化物薄膜一般在5至6個晶胞層發生電子態轉變不同，CrN超薄膜僅在厚度小于30個晶胞層時才發生金屬-絕緣體相變，并伴有CrN單位細胞。 隨著體積的增加，原子密度和載流子濃度急劇下降（圖2）。 研究發現，單晶胞層厚度的CrN薄膜仍表現出良好的導電性，電阻率為1Ω·cm。 該導電膜的厚度遠低于大多數過渡金屬氧化物膜的臨界厚度。 該材料非常適合制備透明導電薄膜。 電極的應用奠定了基礎。
研究人員系統地研究了薄膜與襯底之間的晶格失配應力對CrN電子態的影響。 當薄膜受到拉應力時，CrN保持良好的金屬性； 當對薄膜施加微弱的壓應力時，CrN發生金屬-絕緣體轉變薄膜厚度高中物理，電阻值急劇增加。 為了消除基板的應力，研究使用水溶性薄膜作為犧牲層。 在水溶液中浸泡后，CrN單晶薄膜從MgO基體上剝離，得到自支撐超薄氮化物層材料（圖3）。 去除襯底應力后，這種自支撐材料的電子態從絕緣態恢復到金屬態，表明內應力是誘導電子態轉變的關鍵因素。 實驗上，該研究利用X射線偏振光譜（圖4）證明晶格應力會有效改變晶格場，改變t2g和eg軌道之間的能級分裂程度，從而調節CrN中行進電子的數量。 第一性原理計算結果（圖5）表明，CrN的間接能隙隨著膜厚的減小和面內應力的增大而增大。 這一變化趨勢與實驗觀察完全一致。
該研究不僅提供了制備高質量氮化物單晶薄膜的方法，而且觀察到了氮化物電子態隨厚度和應力變化的變化趨勢。 同時獲得不受襯底應力影響的自支撐氮化物薄膜。 具有相似結構和物理性質的過渡金屬氮化物薄膜的精細能帶結構的預測、宏觀物理性質的控制以及多功能器件的設計提供了重要的理論依據和實驗參考。 相關研究成果以題為-高在上發表。 金橋為該論文的第一作者，王善民、楊紅心、金奎娟、郭爾佳為該論文的共同通訊作者。
該研究得到了物理所先進材料與結構實驗室張清華副研究員、顧林研究員以及美國亞利桑那州立大學高分辨率透射電子顯微鏡博士生的支持。 物理所北京散裂中子源目標站譜儀工程中心朱濤研究員，支持偏振中子反射測量，支持高能物理研究所王嬌鷗研究員，X射線吸收譜，以及鄭州大學物理與電子工程學院教授郭海忠在傳輸測量方面的支持； 該研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、北京市科技星計劃、北京市自然科學基金委、中科院戰略性先導科技項目（類別）的支持研究采用的國內大型科學設施有中國散裂中子源多功能中子反射線站、北京正電子對撞機1W1A、4B9B線站、上海同步輻射光源14B1線站等。
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圖 1. 超薄 CrN 單晶薄膜的結構和磁性表征。 (a) CrN晶體結構示意圖。 (b) 單晶胞層 CrN 薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡圖像。 50個原電池層CrN薄膜的(c)X射線衍射曲線和(d)倒易空間矢量圖。 (e) Ta/Co/CrN 多層膜的偏振中子反射譜。 (f) Ta/Co/CrN 多層膜的密度和磁性能隨膜厚度的變化。
圖 2. CrN 的電傳輸特性隨厚度的變化而變化。 (a) 厚度為 1 至 500 晶胞層的 CrN 薄膜的電阻率隨溫度變化。 (b) Nie溫度與膜厚的關系。 (c) 不同厚度的CrN薄膜的電導率隨T-1/3的變化。 (d) 密度和體積，(e) 室溫電阻率，(f) 遷移率和載流子濃度隨 CrN 薄膜厚度的變化。
圖 3. 具有 20 個原電池層厚度的自支撐 CrN 薄膜的制備和表征。 (a)自支撐CrN薄膜的制備過程示意圖。 (b) 應力調制自支撐 CrN 薄膜的電阻率-溫度曲線。 (c) 應力調制自支撐 CrN 薄膜的氮 K 邊和鉻 L 邊的 X 射線吸收光譜。
圖 4. CrN 薄膜中應力引起的金屬-絕緣體轉變。 (a) 室溫電阻率與失配應力的關系。 三種應力狀態下 CrN 薄膜的 (b) X 射線吸收光譜和 (c) X 射線線性偏振光譜。
圖 5. CrN 的能帶結構隨膜厚度和面內應力的變化而變化。 (a) 具有 4 至 16 個原電池層的 CrN 薄膜的能帶結構演化圖。 CrN 的能帶圖 (b) 無應力和 (c) 2% 面內拉伸應力下。 (d)能隙與CrN厚度之間的關系。 (e) 無應力和 2% 面內拉伸應力下 CrN 的能隙比較。
研究團隊單位：物理研究所
、熱愛科學
