氮化钛（TiN）是一種(zhǒng)具有黃金光澤的難熔金屬陶瓷（熔點接近3000℃），具有超硬耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高化學(xué)穩定性、超導、超高動态電感、半導體兼容性和生物兼容性等一系列優異性能(néng)，在超硬耐磨塗層、極端環境防護塗層、超導量子器件、半導體阻擋層、生物醫療等領域具有廣泛的應用。特别是除以上優異性能(néng)外，該材料還(hái)具有高的載流子濃度（～7×1022cm-3）和超高的單光子品質因子（～106），在等離激元光子學(xué)和超導量子信息領域的一些方面(miàn)具有不可替代性。然而，由于TiN具有高熔點和複雜的化合物相圖，高品質TiN單晶材料的制備需要苛刻的生長(cháng)條件和精确的化學(xué)配比調控，是相關領域的一項挑戰。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所先進(jìn)納米材料與器件實驗室曹彥偉研究員等一直緻力于尖端科研設備的自主研制（專利：ZL 2011 1 0366653.8, Rev. Sci. Instru. 86, 083902 (2015), PNAS 112, 2367 (2015)）。近期，他們提出并設計了中能(néng)電子能(néng)量損失譜儀，與美國(guó)Rutgers大學(xué)的Chakhalian教授課題組合作，在高溫超導YBa2Cu3O7-δ (Tc～90K)薄膜中觀察到了一種(zhǒng)新的激發(fā)态（EPL 128, 57001 (2019)），驗證了該譜儀設計的可行性。最近，針對(duì)上述高品質TiN單晶超導薄膜的制備難題，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（圖1（a）和（b）），該設備具有高真空（10-9 Torr）、高壓（105 Pa）和高溫（1200℃）特點（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，張如意博士和曹彥偉研究員（先進(jìn)納米材料與器件實驗室量子功能(néng)材料團隊）等制備了一系列TiN單晶超導薄膜（圖1（c）和圖2（a）），發(fā)現沿<111>晶向(xiàng)生長(cháng)的薄膜具有更加優異的抗氧化性能(néng)，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)納米材料與器件實驗室功能(néng)薄膜和智構器件團隊）揭示了利用晶向(xiàng)依賴的抗氧化性能(néng)可調節TiN的光學(xué)性質（圖2（b）和（c））。針對(duì)(111)晶面(miàn)TiN薄膜抗氧化機理，碩士生馬倩瑩和黃良鋒研究員（中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室海洋功能(néng)材料團隊）利用密度泛函理論計算（DFT）揭示了（111）晶面(miàn)TiN薄膜優異抗氧化性起(qǐ)源于表面(miàn)吸附O原子與晶格N原子置換過(guò)程具有較高的能(néng)量壁壘（5.09eV）。該研究工作進(jìn)一步驗證了自主研制的過(guò)渡金屬氮化物單晶薄膜外延設備的功能(néng)性，并對(duì)研發(fā)抗氧化塗層、抗氧化等離激元器件和抗氧化超導量子諧振腔提供了思路。相關研究成(chéng)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(guó)家自然科學(xué)基金（11874058，U2032126）、中國(guó)科學(xué)院、甯波市科技局的資助。
圖1 (a)原子級精度離軸磁控濺射設計示意圖，(b)實物圖，(c)TiN單晶超導薄膜實物圖
圖2 (a)不同取向(xiàng)和不同氧化程度的TiOxNy薄膜實物圖；(b)光學(xué)性質；(c)抗氧化性和金屬性（等離激元性能(néng)）與晶面(miàn)的關系
（納米實驗室 張如意）
