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极端环境涂层、半导体芯片、生物医疗、纳米光子学、超导量子计算等领域的很多方面具有不可替代性。同时，过渡金属氮化物也展现出了许多新奇的量子现象，如超导-绝缘转变、超绝缘态以及超导赝能隙等。然而，与被广泛研究的过渡金属氧化物和过渡金属硫化物相比，由于缺乏高质量单晶材料，对过渡金属氮化物电子结构（如能带结构）的研究还相对缺乏，阻碍了对该类材料体系本征物理化学性质的理解。

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和甬江实验室、中国科学院物理研究所、中国科技大学国家同步辐射实验室以及上海同步辐射光源的研究团队联合攻关，在前期的研究基础上（ Phys. Rev. Mater. 5, 075201 (2021); ACS Photonics 8, 847 (2021); ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 60182 (2021); Nano Letters 23, 3879 (2023) ），基于自主研制的原子级精度磁控溅射设备，实现了样品表面的原子级精度制备，克服了“非原位”样品难以测量电子能带结构的领域难题，最终实现了对氮化钛单晶薄膜电子结构及电子关联性质的高分辨测量（如图），从实验上指出超导TiN可能是一种强关联电子材料（库伦相互作用U ~ 6-8 eV）。该研究工作表明生长具有原子级精度表面的TiN单晶薄膜是可行的，并且该材料具有极其稳固（robust）的电子结构，这对下一步研发高性能超导量子芯片奠定了材料和物理基础。

相关成果以“Momentum-Resolved Electronic Structures and Strong Electronic Correlations in Graphene-like Nitride Superconductors”为题发表在Nano Letters期刊上（原文链接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01704）。宁波材料所博士后毕佳畅、课题研究生林宇为该论文的共同第一作者，宁波材料所曹彦伟研究员和甬江实验室肖绍铸副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陈国新高级工程师、张如意副研究员、姚雄项目研究员，物理研究所张庆华副研究员，中国科技大学国家同步辐射实验室刘站峰博士、孙喆教授，上海同步辐射光源张子蕴博士研究生、孙元鹤助理研究员、刘海岗副研究员、黄耀波研究员。

该工作得到了国家基金委、中国科学院、科技部、浙江省和宁波市基金项目的资助。

TiN单晶薄膜的晶体和电子结构

（原子尺度与微纳制造实验室   毕佳畅）