外延应变对CrN(111)薄膜相变行为的调控机制与氮空位依赖性研究

本文通过对比生长在Al2O3(0001)（压应变）和MgO(111)（张应变）衬底上的CrN(111)外延薄膜，系统揭示了外延应变对CrN相变行为的氮含量依赖性调控规律。研究发现张应变显著增强氮空位富集薄膜的面间距收缩（1.1%），提升相变温度（20 K）并降低室温电阻率，而近化学计量比薄膜中应变效应呈现非线性特征。该工作为应变工程调控功能器件（如热电、自旋电子器件）提供了关键实验依据。

　　

Highlight

张应变使MgO(111)衬底上高氮空位CrN薄膜的面外晶面间距收缩率达1.1%（较压应变衬底样品高4倍），与块体CrN粉末的1.2%相当。这些薄膜还表现出约低一半的室温电阻率以及高20 K的相变温度。随着氮空位浓度降低，面外收缩被抑制，而两种衬底上薄膜的室温电阻率差异显著增大（最高达370倍）。值得注意的是，化学计量比CrN薄膜中应变对相变温度的调控变得难以预测。

Conclusion

通过调控氮气流量在Al₂O₃(0001)和MgO(111)衬底上并行生长了不同氮含量的CrN(111)外延薄膜。对比研究表明，外延应力对薄膜结构相变的影响取决于氮含量：对于高氮空位浓度的富氮空位CrN薄膜，压应力抑制相变而张应力增强相变，表现为更高的相变温度、更显著的面间距收缩和更低的电阻率。随着氮空位减少，应变效应逐渐减弱且电阻率对比度急剧增加。近化学计量比薄膜中应变与相变温度的关联性显著降低。这些发现揭示了应变与点缺陷协同调控CrN相变行为的机制，为设计应变工程功能器件提供了新思路。