氮化钛（TiN）是一种具有黄金光泽的难熔金属陶瓷（熔点接近3000℃），具有超硬耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高化学稳定性、超导、超高动态电感、半导体兼容性和生物兼容性等一系列优异性能，在超硬耐磨涂层、极端环境防护涂层、超导量子器件、半导体阻挡层、生物医疗等领域具有广泛的应用。特别是除以上优异性能外，该材料还具有高的载流子浓度（～7×10²²cm^-3）和超高的单光子品质因子（～10⁶），在等离激元光子学和超导量子信息领域的一些方面具有不可替代性。然而，由于TiN具有高熔点和复杂的化合物相图，高品质TiN单晶材料的制备需要苛刻的生长条件和精确的化学配比调控，是相关领域的一项挑战。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进纳米材料与器件实验室曹彦伟研究员等一直致力于尖端科研设备的自主研制（专利：ZL 2011 1 0366653.8, Rev. Sci. Instru. 86, 083902 (2015), PNAS 112, 2367 (2015)）。近期，他们提出并设计了中能电子能量损失谱仪，与美国Rutgers大学的Chakhalian教授课题组合作，在高温超导YBa₂Cu₃O_7-δ (T_c～90K)薄膜中观察到了一种新的激发态（EPL 128, 57001 (2019)），验证了该谱仪设计的可行性。最近，针对上述高品质TiN单晶超导薄膜的制备难题，张如意博士和曹彦伟研究员等自主研制了原子级精度离轴磁控溅射系统（图1（a）和（b）），该设备具有高真空（10^-9 Torr）、高压（10⁵ Pa）和高温（1200℃）特点（专利：ZL 2020 2 0835160.9；202011297238.7；202010512090.8）。

　　利用该原子级精度离轴磁控溅射系统，张如意博士和曹彦伟研究员（先进纳米材料与器件实验室量子功能材料团队）等制备了一系列TiN单晶超导薄膜（图1（c）和图2（a）），发现沿<111>晶向生长的薄膜具有更加优异的抗氧化性能，与刘海岗助理研究员合作（上海光源）利用X射线吸收谱技术测量了氧含量。他们与高俊华副研究员和曹鸿涛研究员等合作（先进纳米材料与器件实验室功能薄膜和智构器件团队）揭示了利用晶向依赖的抗氧化性能可调节TiN的光学性质（图2（b）和（c））。针对(111)晶面TiN薄膜抗氧化机理，硕士生马倩莹和黄良锋研究员（中科院海洋新材料与应用技术重点实验室海洋功能材料团队）利用密度泛函理论计算（DFT）揭示了（111）晶面TiN薄膜优异抗氧化性起源于表面吸附O原子与晶格N原子置换过程具有较高的能量壁垒（5.09eV）。该研究工作进一步验证了自主研制的过渡金属氮化物单晶薄膜外延设备的功能性，并对研发抗氧化涂层、抗氧化等离激元器件和抗氧化超导量子谐振腔提供了思路。相关研究成果发表在ACS Photonics, 2021，论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01827。

　　本研究工作受到国家自然科学基金（11874058，U2032126）、中国科学院、宁波市科技局的资助。

图1 (a)原子级精度离轴磁控溅射设计示意图，(b)实物图，(c)TiN单晶超导薄膜实物图

图2 (a)不同取向和不同氧化程度的TiO_xN_y薄膜实物图；(b)光学性质；(c)抗氧化性和金属性（等离激元性能）与晶面的关系

　　（纳米实验室 张如意）