TiN||SrTiO3 异质界面的电子结构与力学性能：第一性原理研究及其在微电子器件中的应用

　　为解决SrTiO3 与半导体集成中的晶格失配和生长条件不兼容问题，研究人员通过第一性原理计算研究了TiN(110)||SrTiO3 (110)异质界面的电子结构与力学性能。结果表明，N/Ti终止的界面具有导电性，且O2 终止可增强界面结合强度；SrTiO终止界面的剪切强度和韧性优于O2 终止界面。该研究为TiN||SrTiO3 在微电子器件中的应用提供了理论依据。

　　

在能源、催化和电子领域，钙钛矿氧化物因其多样的物理化学性质备受关注。作为典型代表，钛酸锶(SrTiO₃
)因其高介电常数、低介电损耗和可调能带结构，在陶瓷介质电容器和超导基底中展现出巨大潜力。然而，将SrTiO₃
集成到硅(Si)、锗(Ge)等半导体时，巨大的晶格失配和生长条件差异成为主要障碍。引入缓冲层是解决这一问题的有效策略，而钛氮化物(TiN)因其热稳定性、机械完整性和化学惰性成为理想候选。尽管TiN||SrTiO₃
异质界面在实验中已用于缓解晶格应力，但其电子结构和力学性能的系统研究仍属空白。

为此，中国的研究团队通过第一性原理计算，聚焦TiN(110)||SrTiO₃
(110)界面，揭示了其导电机制和力学行为。研究采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)，基于密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA)，计算了界面能带结构、态密度(DOS)及剪切强度等参数。

Bulks, surfaces and initial TiN/SrTiO₃
interface
通过分析体相TiN和SrTiO₃
的能带结构，确认TiN的导电性源于Ti-d
态贡献，而SrTiO₃
为半导体（带隙3.208 eV）。

The adhesion energy of TiN||SrTiO₃
interface
计算八种界面模型的粘附能(W_ad

)，发现O₂
终止界面结合强度更高，因其O原子弛豫后更易与TiN的Ti形成强键；而SrTiO终止界面虽粘附能最大，但属于亚稳态系统。

Conclusions
研究证实TiN||SrTiO₃
界面具有导电性，且SrTiO₃
带隙随厚度增加而展宽。力学分析表明，O₂
终止提升界面键合强度，而SrTiO终止界面的剪切强度和韧性更优。这些发现为设计高性能微电子器件提供了关键理论支撑，尤其适用于需兼顾导电性和机械稳定性的异质结系统。

该研究不仅填补了TiN||SrTiO₃
界面基础理论的空白，还为实际应用中缓冲层的优化设计指明了方向。例如，在Nb:SrTiO₃
/Si异质结中，TiN可有效减少缺陷；而在BaTiO₃
-Fe纳米复合薄膜中，TiN||SrTiO₃
能增强铁磁各向异性。未来研究可进一步探索界面缺陷（如N空位）对性能的影响，以拓展其在柔性电子和量子器件中的应用潜力。