氮化铁是典型的过渡金属氮化物,N原子通过有序占据Fe原子的间隙位,在晶格中引入化学应力。随着氮含量的不同氮化铁展现出丰富的相结构,包括四方结构的α"-Fe16N2、立方结构的γ’-Fe4N、六角结构的ε-Fe3-xN(0≤x<1)、正交结构的δ-Fe2N、立方结构的γ"-和γ’"-FeN。丰富的相结构使得氮化铁具有良好的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性和优异的铁磁性,因此氮化铁在材料表面改性、催化、生物医学和自旋电子学领域等方面都有广泛的应用。材料的物性和应用很大程度上取决于其结构和形态,因此深入认识氮化铁的结构特征、并精确控制氮化铁的结构一直是重要的研究内容。但现有的研究工作缺乏对氮化铁结构共性的深入思考,并在氮化铁外延薄膜制备中面临着诸多挑战,极大的限制了氮化铁的应用。针这以上两方面的问题,我们展开了以下研究工作。1)氮化铁结构共性与实验验证。研究发现不同相结构的氮化铁都具有Fe原子层和N原子层交替排列的结构,并且Fe原子层为Fe子晶格的密排晶面、具有二维六角或准六角结构。这种结构上的共性极大的消除了氮化铁晶体结构间的巨大差异,为实验上连续调控氮化铁外延薄膜的相结构提供了可能。基于Fe原子密排面的结构特征,选择MgO(111)单晶基片作为衬底,采用磁控溅射方法通过改变氮气分压制备了系列的氮化铁薄膜。X射线衍射结果表明随着氮气流量的增加依次出现了高度取向的 α-Fe(110)、γ’-Fe4N(111)、ε-Fe3-xN(001)(0≤x<1)、γ"-FeN(111)、γ’"-FeN(111)薄膜,进一步结合断面透射电子显微镜测量确定薄膜为外延生长。在此基础上给出了制备氮化铁外延薄膜的基片温度-氮气分压的相图。该研究工作内容不但验证了氮化铁结构共性的正确性,而且为精确调控氮化铁外延薄膜的相结构提供了有效手段。2)氮化铁结构共性的拓展与异质结构制备。氮化铁的相结构在3d过渡金属氮化物中是最复杂的,并且其晶体结构基本涵盖了其它3d过渡金属氮化物的晶体结构。这一客观事实向我们提出了以下问题:氮化铁的结构共性在多大程度上适用于其它过渡金属氮化物。为此,我们逐一分析了3d过渡金属氮化物和第三主族氮化物的晶体结构,发现涉及到的金属氮化物几乎都具有氮化铁的结构共性。这表明利用过渡金属密排面,能够实现具有不同晶体结构的过渡金属氮化物的异质外延,这极大的便利和拓展了过渡金属氮化物异质结构的制备。为了验证这一观点,我们随后成功制备出了立方结构的γ’-Fe4N(111)/六角结构的ε-Fe3-x(001)双层膜。考虑到过渡金属氮化物多样的晶体结构和丰富物理性质,异质结构必将极大的推动过渡金属氮化物在电子器件中的应用。总之,通过分析氮化铁的结构共性,并利用氮化铁外延薄膜的相结构的连续调控验证了氮化铁结构共性的正确性。进一步将该结构共性拓展到了整个过渡金属氮化物,为过渡金属氮化物异质结构的制备提供了很好的选择。因此该研究工作不但深化了对氮化铁乃至过渡金属氮化物结构的认识,而且对过渡金属氮化物异质结构在电子器件中的应用具有重要意义。