近年来，氮化物材料因其优异的化学稳定性、离子-共价混合键合特性、多自由度耦合行为以及可调控的能带结构，在基础研究与器件应用中展现出巨大潜力。然而，高质量单晶薄膜制备仍是制约其深入研究和实用化的关键技术瓶颈。随着射频氮离子源辅助的外延技术不断进步，研究人员已在多种衬底或缓冲层上成功生长出厚度可控、质量优异、界面清晰的氮化物单晶薄膜与异质结构，推动了其在磁性调控、金属-绝缘体转变、超导近邻效应等方向的系统研究。近年来，理论工作预测一系列新型钙钛矿氮化物（如LaWN₃）具有优异的铁电或压电特性，实验中也初步观察到其极性结构与压电响应。然而，已有报道多为微米厚度的非晶或多晶样品，难以满足铁电物理机制研究及微纳器件集成的需求。相比之下，低漏电、快响应的高质量单晶薄膜更具优势，但其外延生长在化学计量控制、缺陷抑制及与多类衬底的兼容性等方面仍面临诸多挑战。

　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心联合南方科技大学和北京理工大学，首次通过氨气氮化退火方法，将无定形前驱体晶化为高质量的钙钛矿氮化物CeTaN₃单晶薄膜，实验上实现了此前仅理论预测的新型材料。CeTaN₃中未充满4f电子壳层的Ce³⁺离子可能引入局域偶极与多极矩效应，而Ta–N强共价键有助于打破中心对称性，提高铁电极化的居里温度。研究团队结合非线性光学、压电力显微镜、透射电子显微镜与电学测量等多种先进技术，全面验证了CeTaN₃薄膜的极性结构与稳定铁电性，其室温剩余极化值可与主流铁电材料（如Hf₁₋ₓZrₓO₂和BaTiO₃）媲美。第一性原理计算与实验数据一致表明，CeTaN₃具有相对较窄的带隙，具备作为铁电半导体应用于铁电场效应晶体管和光电探测器等器件的潜力。

　　更重要的是，该团队成功实现了CeTaN₃薄膜在多种氧化物衬底（如SrTiO₃、LaAlO₃、DyScO₃）与半导体衬底（如Si、SiC、GaN）上的高质量异质外延生长，展现出钙钛矿氮化物在铁电存储、功率电子、光电子器件等领域的广阔前景，有望成为继钙钛矿氧化物、卤化物与硫族化物之后的新一代关键功能材料体系。

　　该成果以题为“A single-phase epitaxially grown ferroelectric perovskite nitride”发表在《Science Advances》。该研究由中国科学院物理研究所国际青年学者博士后Songhee Choi和博士后金桥、博士生荣东珂，北京理工大学博士生资贤为共同第一作者。中国科学院物理研究所郭尔佳研究员与金奎娟院士、北京理工大学洪家旺教授、南方科技大学王善民教授为共同通讯作者。合作者还包括中国科学技术大学王凌飞教授、北京理工大学唐刚教授、清华大学李千教授与谷林教授，以及中国科学院物理研究所所张庆华副研究员和谌志国研究员等。该工作获得中国科学院等项目资助。

　　论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6698 

图 首次实现具有良好结晶质量和外延特性的单晶钙钛矿氮化物铁电薄膜。