物理所在反鐵磁金屬氮化鉻超薄膜的電子態相變研究中獲進展

　　超薄導電材料在透明顯示、柔性電子皮膚、可穿戴光伏器件等方面具有廣闊應用前景，是應用材料領域的前沿領域。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，而且要求它們具有更豐富的物理特性，如磁性、熱電性、延展性和抗腐蝕性等，為設計下一代移動智能多功能器件提供備選材料。過渡金屬氮化鉻（CrN）是集這些優良物理特性于一身的理想材料之一。在室溫下，CrN塊材呈現金屬性，其載流子濃度約為1020cm^-3，遷移率約為100cm²·V^-1·s^-1。當溫度低于10℃時，CrN的晶體結構從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，同時伴隨著電阻率突變。CrN這種天然的反鐵磁金屬性使其既沒有雜散場，也不易受外磁場干擾，能夠用于制備超快、保密、高密度和低能耗磁存儲器件。然而，制備高結晶質量和化學組分均一的氮化鉻單晶塊材和薄膜具有挑戰性。一方面，氮化鉻單晶的合成普遍需要超高溫和超高壓的極端環境。另一方面，氮空位和氧摻雜都將對氮化鉻薄膜材料的物理特性造成影響。因此，對于氮化鉻薄膜到底是金屬相還是絕緣相，是順磁相還是反鐵磁相，一直有爭議。

　　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金橋在特聘研究員郭爾佳的指導下,與研究員金奎娟、谷林、朱濤，南方科技大學助理教授王善民中科院寧波材料技術與工程研究所研究員楊洪新組成研究團隊，利用活性氮原子源輔助的脈沖激光沉積技術成功制備出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薄膜具有較高的結晶質量（圖1）。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。進一步研究表明，與過渡金屬氧化物薄膜普遍在5至6原胞層出現電子態轉變不同，CrN超薄膜在厚度小于30原胞層時才會發生金屬-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（圖2）。研究發現單原胞層厚度的CrN薄膜仍然現出電阻率為1Ω·cm的良好導電性，該導電薄膜的厚度遠低于大多數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。

　　科研人員系統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發生金屬-絕緣體轉變，電阻值急劇增加。為去除襯底應力作用，研究利用水溶性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，獲得了自支撐氮化物超薄層材料（圖3）。該自支撐材料在去除了襯底應力作用后，其電子態從絕緣性恢復為金屬性，說明本征應力是誘發電子態轉變的關鍵因素。在實驗上，研究利用X射線線偏振譜（圖4）證明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中巡游電子的數量。第一性原理計算（圖5）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。

　　該研究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隨厚度和應力改變的變化趨勢，同時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和實驗參考。相關研究成果以Strain-mediated high conductivity in ultrathin antiferromagnetic metallic nitrides為題，發表在Advanced Materials上。金橋為論文第一作者，王善民、楊洪新、金奎娟和郭爾佳為論文共同通訊作者。

　　該研究獲得物理所先進材料與結構實驗室副研究員張慶華、研究員谷林和美國亞利桑那州立大學博士Manuel Roldan在高分辨透射電鏡方面的支持，物理所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心研究員朱濤在極化中子反射測量方面的支持，高能物理研究所研究員王嘉鷗在X射線吸收譜方面的支持，以及鄭州大學物理與電子工程學院教授郭海中在輸運測量方面的支持；研究工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、北京市科技新星計劃、北京市自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。研究使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線站及上海同步輻射光源14B1線站等。

　　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）單原胞層CrN薄膜的高分辨透射電鏡圖。50原胞層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多層膜的極化中子反射譜。（f）Ta/Co/CrN多層膜的密度和磁性隨薄膜厚度的分布圖。

　　圖2.CrN的電輸運特性隨厚度的變化規律。（a）厚度從1至500原胞層CrN薄膜的電阻率隨溫度的變化規律。（b）聶耳溫度隨薄膜厚度的變化關系。（c）不同厚度CrN薄膜的電導率隨T-1/3的變化關系。(d)密度和體積、（e）室溫電阻率、（f）遷移率和載流子濃度隨CrN薄膜厚度的變化規律。

　　圖3.20原胞層厚度的自支撐CrN薄膜制備和表征。（a）自支撐CrN薄膜制備過程示意圖。（b）受應力調制和自支撐CrN薄膜的電阻率-溫度變化曲線。（c）受應力調制和自支撐CrN薄膜的氮K邊和鉻L邊的X射線吸收譜。

　　圖4.CrN薄膜中受應力誘導的金屬-絕緣體轉變。（a）隨失配應力變化的室溫電阻率。三種應力狀態下CrN薄膜的（b）X射線吸收譜和（c）X射線線性偏振譜。

　　圖5.CrN的能帶結構隨薄膜厚度和面內應力的變化趨勢。（a）4至16原胞層CrN薄膜的能帶結構演化圖。（b）無應力和（c）受2%面內張應力作用的CrN能帶圖。（d）能隙隨CrN厚度的變化關系。（e）無應力和受2%面內張應力的CrN能隙對比。