【仪表网 研发快讯】等离激元通常指固体中自由电子集体振荡的量子化，是最基本的几种元激发之一(其它还有声子、磁振子、极化子等)。等离极化激元是指光子与等离激元耦合形成的一种特殊电磁模式，是极化激元中的一种(其它还有声子极化激元、激子极化激元等)。等离激元可以将光场约束到纳米尺度，突破阿贝光学衍射极限，增强光子-电子-物质的相互作用，为纳米尺度光子的精确调控提供有效手段，对光电器件的纳米尺度集成、光子芯片研发、光电催化都具有重要意义。由于具有高硬、难熔、耐磨、耐腐蚀、高导电性、良好半导体及生物兼容性等优异的综合物理化学性质，以氮化钛(TiN)为代表的过渡金属氮化物在高温等离激元光子学方面具有不可替代性。前期研究发现，通过缺陷工程(氮空位)可以连续调控TiN等离激元的能量，但相关调控机理还不清楚。而等离激元能量的大小又直接决定所耦合光子的波长，是等离激元光子学的关键参数之一。
针对此问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所原子尺度与微纳制造实验室量子功能材料团队与宁波材料所前沿交叉科学研究中心、甬江实验室、中国科学院物理研究所以及中国科学技术大学的研究团队联合攻关，在前期的研究基础上(AIP Advances 10, 055113 (2020); Phys. Rev. Mater. 5, 075201 (2021); ACS Photonics 8, 847 (2021); ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 60182 (2021); Nano Letters 23, 3879 (2023)；ACS Appl. Electron. Mater. 6, 2544 (2024)；Nano Letters 24, 7451 (2024) 等)，基于自主研制的原子级精度磁控溅射外延设备，实现了TiN薄膜中氮空位的精准调控，克服了氮空位引起的单晶薄膜晶格弛豫问题，经过持续攻关，制备出了一系列具有不同氮空位浓度的共格外延单晶薄膜(如图)。基于这些高质量样品，通过实验与计算，揭示了等离激元的调控由载流子浓度和有效质量共同决定，并且随着氮空位的增多，载流子浓度变大，有效质量显著减小。
相关成果以“Engineering Carrier Density and Effective Mass of Plasmonic TiN Films by Tailoring Nitrogen Vacancies”为题发表在Nano Letters期刊上(原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03534)。宁波材料所博士生张顺达、孙天宇为该论文的共同第一作者，宁波材料所曹彦伟研究员和黄良锋研究员为该论文的共同通讯作者。主要合作者还有宁波材料所张如意副研究员、张洪亮研究员、梁凌燕研究员、姚雄项目研究员、毕佳畅博士后、解忍杰博士后，研究生林宇、苏冠华、李沛怡，甬江实验室肖绍铸副研究员，中国科学院物理研究所杨芳副研究员、张庆华副研究员，中国科学技术大学王臻研究员等。
该工作得到了国家基金委、科技部、中国科学院、浙江省和宁波市基金项目的资助。
图 具有不同氮空位浓度的TiN单晶薄膜：(a) 实物图；(b) 原子级透射电镜图；(c)高分辨X射线衍射扫描；(d) 倒易空间成像；(d) 薄膜与衬底的晶格常数
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