自支撑TiN-Au垂直排列纳米复合薄膜：柔性等离子体杂化超表面的创新突破

这篇综述展示了自支撑TiN-Au垂直排列纳米复合材料（VAN）薄膜的创新制备技术，通过水溶性Sr3Al2O6缓冲层实现了薄膜从刚性基底到柔性PDMS的成功转移。研究证实TiN缓冲层可显著提升VAN生长质量，转移后的薄膜保持优异等离子体特性（如500nm处等离子共振峰），为柔性光子器件和可穿戴传感器提供了新材料平台。

　　

1 引言

光学超材料通过设计自然界不存在的纳米结构实现独特的光-物质相互作用，过渡金属氮化物（TiN、TaN、HfN）因其优异的光学/等离子体特性和高温稳定性成为研究热点。垂直排列纳米复合材料（VAN）将等离子体材料（Au、TiN）与铁电/铁磁材料垂直复合，产生界面耦合效应。TiN-Au体系结合了TiN的低损耗特性和Au的强等离子共振，但传统外延生长需要单晶氧化物基底和高沉积温度，限制其器件集成潜力。

2 结果与讨论

研究团队创新性地采用水溶性Sr₃Al₂O₆（SAO）缓冲层，在SrTiO₃基底上生长TiN-Au VAN薄膜。透射电镜（STEM）显示，17nm厚的TiN缓冲层使Au纳米柱在TiN基质中形成垂直排列结构，而未加缓冲层的样品仅呈现Au纳米颗粒。通过溶解SAO层，成功将薄膜转移到PDMS上，形成具有周期性褶皱的柔性结构。

光学测试表明，转移后的薄膜在500nm处出现特征等离子共振峰，且因褶皱诱导的纳米柱倾斜产生10nm红移。椭圆偏振测量证实薄膜保持光学各向异性，其介电常数实部和虚部均呈现金属特性。值得注意的是，尽管TiN硬度高达30GPa，转移后的薄膜未出现明显裂纹，展现出优异的力学性能。

3 结论

该研究首次实现自支撑TiN-Au VAN薄膜的制备，通过TiN缓冲层优化和SAO溶解转移技术，为柔性等离子体器件开发提供新思路。褶皱结构的成功构建和光学特性的保持，预示着该材料在可穿戴传感器、柔性显示等领域的应用潜力。

4 实验方法

采用脉冲激光沉积法（PLD）在SrTiO₃(001)基底上生长SAO缓冲层（850°C，50mTorr氧压）和TiN-Au薄膜（700°C，高真空）。通过氩离子研磨制备TEM样品，使用Talos 200X电镜观察纳米结构。光学性能通过紫外可见分光光度计和椭圆偏振仪表征。