离子辐照诱导TiN薄膜结构与光学性能调控的对比研究及其等离激元应用

本研究针对TiN薄膜在等离激元应用中存在的高光学损耗问题，通过Au、Ag、Cu离子注入系统研究了不同金属离子及注入能量对TiN薄膜结构演变和介电性能(ε1/ε2)的调控机制。研究发现Au离子注入诱导的晶界缺陷能显著改善近红外区介电函数，降低Drude展宽，为开发CMOS兼容的高性能等离激元器件提供了新思路。

　　

在纳米光子学领域，如何实现光场的纳米尺度操控一直是科学家们追逐的圣杯。传统金(Au)、银(Ag)等贵金属虽然具有优异的等离激元(plasmonic)特性，但其固有的软质特性和与半导体工艺的兼容性问题，严重制约了集成光子器件的发展。更令人头疼的是，这些"娇贵"的金属在高温环境下容易发生结构退化，就像精致的瓷器经不起烈火考验。而号称"人造黄金"的钛氮化物(TiN)凭借其堪比陶瓷的硬度、媲美金属的导电性，以及令人惊艳的 refractory特性（即高温稳定性），一度被视为拯救等离激元器件的"天选之子"。可惜好景不长，研究人员很快发现这个"天选之子"有个致命缺陷——在可见光波段存在严重的光学损耗，就像戴着镣铐跳舞的舞者，始终无法展现全部实力。

面对这个棘手难题，塞尔维亚的研究团队独辟蹊径，采用离子注入这把"纳米雕刻刀"对TiN薄膜进行精密改造。他们像技艺精湛的微雕大师，分别选用金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)三种金属离子作为"刻刀"，在不同能量参数下对TiN薄膜进行纳米级"整形手术"。这项发表在《Radiation Physics and Chemistry》的研究，首次系统揭示了不同离子类型与注入能量对TiN介电性能(ε₁/ε₂)的差异化调控规律。

研究人员主要采用三把"科学放大镜"观察TiN的蜕变过程：X射线衍射(XRD)这把"晶体尺"负责测量晶格变化，透射电镜(TEM)这台"纳米相机"捕捉微观结构演变，而光谱椭偏仪这架"光学CT"则精准解析介电函数谱。170nm厚的TiN薄膜样本通过直流溅射沉积在硅衬底上，经过严格清洗后接受不同条件的离子注入"洗礼"。

【Microstructure】部分显示，离子注入就像一场纳米级的"地震"，彻底改变了TiN的晶体王国。XRD图谱中(111)晶面峰的宽化暗示着晶粒尺寸的缩减，而TEM图像中清晰可见的位错网络和晶界重构，则像地震后重新排列的砖墙。特别有趣的是，Au离子展现出最强的"破坏力"，其诱导的晶界缺陷密度高达其他离子的1.5倍，这些纳米级的"伤痕"后来被证明竟是改善光学性能的关键。

【Discussion】部分深入剖析了"破坏即创造"的物理本质。研究人员发现一个反直觉现象：看似破坏性的离子注入，实际上通过增加晶界散射降低了载流子迁移率，这就像在高速公路设置减速带，虽然降低了电子"车速"，却意外减少了光学损耗。光谱分析显示，经过Au离子"整形"的TiN薄膜，其近红外区介电函数实部(ε₁)负值加深了15%，而虚部(ε₂)则降低20%，这意味着等离激元传播距离可延长1.8倍。更有价值的是，80keV注入能量下获得的Drude展宽参数γ比常规沉积样品降低30%，这个关键指标直接决定了等离激元器件的品质因数。

【Conclusions】部分画龙点睛地指出，这项研究为"损伤工程"提供了全新范例。Mirjana Novakovi?等学者证明：通过精确控制的离子注入损伤，可以像玩"纳米乐高"一样定向调控TiN的介电性能。特别是Au离子在80keV能量下诱导的特定缺陷构型，能同时优化等离子体频率(ω_p)和载流子弛豫时间(τ)，这种"一石二鸟"的效果为开发CMOS兼容的等离激元器件开辟了新道路。该成果不仅解开了离子注入改善TiN光学性能的物理机制之谜，更提供了可量化的工艺参数窗口，让"人造黄金"真正闪耀出媲美真金的光彩。