【产通社，12月25日讯】中国科学院（Chinese Academy of Sciences）官网消息，物理研究所与北京凝聚态物理国家研究中心的博士研究生金桥在郭尔佳特聘研究员的指导下，与金奎娟研究员、谷林研究员、朱涛研究员以及南方科技大学的王善民助理教授和中国科学院宁波材料技术与工程研究所的杨洪新研究员组成研究团队，利用活性氮原子源辅助的脉冲激光沉积技术成功制备了准确化学配比的高结晶质量的CrN薄膜。单原胞层厚度的CrN的高分辨扫描透射电镜图和单晶X射线衍射结果均表明制备的CrN薄膜具有极高的结晶质量。X射线吸收谱也证实了CrN中的Cr离子保持+3价，没有探测到氮空位，具有准确化学计量比。研究团队利用磁交换偏置和极化中子反射技术测量了Ta/Co/CrN多层膜，证实了CrN薄膜保持其反铁磁特性。

进一步的研究结果表明，与过渡金属氧化物薄膜普遍在5至6原胞层出现电子态转变不同，CrN超薄膜在厚度小于30原胞层时才会发生金属—绝缘体相变，同时伴随着CrN晶胞体积增加、原子密度和载流子浓度急剧下降。值得指出的是，研究团队发现单原胞层厚度的CrN薄膜仍然呈现出电阻率为1Ω·cm的良好导电性。该导电薄膜的厚度远远低于绝大多数过渡金属氧化物薄膜的临界厚度，为该材料在制备透明导电电极方面的应用奠定了基础。

研究团队系统研究了薄膜与衬底之间的晶格失配应力对CrN电子态的影响。当薄膜承受张应力时，CrN保持良好的金属性；当对薄膜施加微弱压应力时，CrN发生金属—绝缘体转变，电阻值极剧增加。为了去除衬底应力作用，研究团队利用水溶性Sr3Al2O6薄膜作为牺牲层，在浸泡水溶液后，CrN单晶薄膜从MgO衬底剥离，在国际上首次获得了自支撑氮化物超薄层材料。该自支撑材料在去除了衬底应力作用后，其电子态从绝缘性恢复为金属性，说明了本征应力是诱发电子态转变的关键因素。在实验上，研究团队利用X射线线偏振谱证明了晶格应力将高效改变晶格场，改变t2g和eg轨道之间的能级劈裂的程度，进而调控CrN中巡游电子的数量。研究团队开展的第一性原理计算结果表明，CrN的间接能隙随着薄膜厚度减小和面内应力增加而增大。该变化趋势与实验观测结果完全一致。

本研究结果不仅提供了高质量氮化物单晶薄膜的制备方法，而且观测到氮化物的电子态随厚度和应力改变的变化趋势，同时首次获得了不受衬底应力影响的自支撑氮化物薄膜，为具有相似结构和物性的过渡金属氮化物薄膜的精细能带结构预测、宏观物理特性调控和多功能器件设计提供了重要理论依据和实验参考。相关内容以“Strain-mediated high conductivity in ultrathin antiferromagnetic metallic nitrides”为题发表在Advanced Materials上。

论文第一作者为博士研究生金桥。王善民助理教授、杨洪新研究员、金奎娟研究员和郭尔佳特聘研究员为共同通讯作者。本工作得到了中国科学院物理研究所先进材料与结构实验室张庆华副研究员、谷林研究员和美国亚利桑那州立大学的Manuel Roldan博士在高分辨透射电镜方面，中国科学院物理研究所北京散裂中子源靶站谱仪工程中心的朱涛研究员在极化中子反射测量方面，中国科学院高能物理研究所王嘉鸥研究员在X射线吸收谱方面以及郑州大学物理与电子工程学院郭海中教授在输运测量方面的支持。该工作得到了科技部重点研发计划（2019YFA0308500和2020YFA0309100）、国家自然科学基金委（11974390,52025025和52072400）、北京市科技新星计划(Z191100001119112)、北京市自然科学基金（2202060）、中国科学院B类先导专项(XDB33030200)等项目的支持。该工作利用的国内大科学装置包括中国散裂中子源多功能中子反射线站、北京正负电子对撞机1W1A和4B9B线站以及上海同步辐射光源14B1线站等。

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