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为解决 TiN 薄膜在精密电子器件中因高电阻温度系数（TCR）影响精度的问题，研究人员通过直流反应磁控溅射调控反应气体流量比 α，研究 TiNx薄膜结构与电学性能，发现 α 影响择优取向、N/Ti 比等，最小 TCR 达 35.28 ppm/k，为电子应用提供参考。
在电子器件的世界里，精密性如同生命线，一丝温度的波动都可能让传感器的信号偏离真相，让薄膜电阻的稳定性面临挑战。钛氮化物（TiN）薄膜凭借高硬度、耐腐蚀等特性，在机械防护与电子器件领域展现出广阔前景，但其较高的电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）却像一道难以跨越的屏障 —— 环境温度的细微变化，都会引发电阻波动，导致传感器输出信号漂移、测量误差增加，严重制约了其在高精度电子器件中的应用。如何驯服这一 “温度敏感” 的特性，成为拓展 TiN 薄膜电子应用的关键课题。
为了攻克这一难题，中国科学院相关研究人员开展了深入研究。他们以直流反应磁控溅射技术为 “画笔”，在 Si/SiO2（100）衬底上 “绘制” 出不同氮含量的 TiNx薄膜，通过动态调整反应气体流量比 α（α=Ar/(Ar+N2)），系统探究了氮原子掺杂对薄膜结构与电学性能的影响，相关成果发表在《Applied Surface Science》。
研究中用到的主要关键技术方法包括：利用 X 射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）分析薄膜晶体结构及择优取向变化；借助 X 射线光电子能谱（X-Ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）表征薄膜化学组成及 N/Ti 比；通过共聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）观察薄膜表面形貌与柱状晶结构形成；运用物理性能材料测试系统（Physical Properties Material Testing System，PPMS）测量薄膜的电阻 - 温度（R-T）曲线，获取 TCR 数据；采用范德堡法（Van der Pauw method）研究薄膜电学性能与晶体结构的关联。
结果与讨论
晶体结构演变
XRD 分析表明，当 α=0 时，薄膜为六方结构的 Ti 膜；当 α>0 时，形成典型的面心立方（Face-Centered Cubic，FCC）结构 TiNx薄膜。随着 α 从 0.02 增加至 0.4，薄膜呈现明显的（111）衍射峰，表现出（111）织构；当 α=0.5 时，出现（111）与（200）混合织构；α 进一步增大，（111）衍射峰强度减弱，（200）择优取向逐渐占据主导。这一变化表明，反应气体流量比 α 显著调控了薄膜的择优取向。
化学组成与表面形貌
XPS 测量显示，随着 α 增加，薄膜中 N/Ti 比逐渐升高，氮原子掺杂量增加。FIB-SEM 观察揭示，薄膜表面形貌随 α 变化呈现规律性差异，α 较小时形成较为致密的结构，α 增大后逐渐形成柱状晶结构，表面粗糙度也相应改变。
电学性能与 TCR 机制
PPMS 测得的 R-T 曲线显示，在 200 K-400 K 温度范围内，薄膜的平均 TCR 强烈依赖于氮含量。当 α 增大时，TCR 逐渐降低，最小 TCR 可达 35.28 ppm/k。研究提出，α 增加导致 TCR 降低的主要机制在于氮原子掺杂引入的电子 - 电子相互作用贡献。氮原子的掺入增加了晶格无序度，改变了电子散射机制，从而影响了薄膜的温度稳定性。
结论
本研究通过直流反应磁控溅射技术成功制备了不同化学计量比的 TiNx薄膜，系统阐明了反应气体流量比 α 对薄膜晶体结构、化学组成及电学性能的调控规律，揭示了氮原子掺杂降低 TCR 的机制在于电子 - 电子相互作用的增强。研究结果不仅为提升 TiN 基精密电子器件的温度稳定性提供了新策略，也为其他过渡金属氮化物的电学性能调控提供了理论参考。在精密电子器件对温度稳定性要求日益严苛的今天，该研究为 TiN 薄膜突破应用瓶颈开辟了新路径，有望推动其在高精度传感器、薄膜电阻等领域的广泛应用，为电子器件的微型化、精准化发展注入新动力。
