高端科研设备是科技创新的基础，其不但决定了科学研究的广度和深度，更是有力支撑了新兴产业和未来产业的长远发展。大尺寸单晶薄膜外延设备（4英寸及以上）是集成电路、量子科技、高端新材料等领域的重要基础设备，但目前两种主要的外延设备-分子束外延MBE和化学气相沉积CVD，在大尺寸过渡金属氮化物（例如TiN等）单晶薄膜的生长中均存在各自的技术瓶颈（例如氮离子产生效率低、反应前驱体缺乏等）。

针对此瓶颈，中国科学院宁波材料技术与工程研究所原子尺度与微纳制造实验室的量子功能材料团队在曹彦伟研究员带领下开展了持续8年的攻关，突破了主流观点认为磁控溅射难以制备大尺寸单晶薄膜的认知局限，提出并发展了原子级磁控溅射外延（Atomic-scale Magnetron Sputtering Epitaxy，AMSE）的概念。在多个国家级项目的支持下，从2018年至今相继研制出厘米级（5-15毫米）和2英寸级AMSE设备（ACS Nano 20, 8589 (2026)；ACS Appl. Mater. Interfaces 18, 30480（2026）；Chin. Phys. Lett. 43, 040714 (2026)；The Innovation Materials 4, 100189 (2026)等）。

近期，实验室工程师项淑玲、博士后彭绍勤等在曹彦伟研究员的指导下，研制出4英寸原子级磁控溅射外延系统。利用该设备，博士生王新伟、博士后彭绍勤等制备出首个4英寸新型纤锌矿铁电半导体单晶异质结AlScN/TiN（如图），其X射线摇摆曲线半峰宽仅为0.02°，证实了薄膜的超高单晶质量。相关成果以“TiN buffer‑assisted low‑temperature epitaxy of 4‑inch AlScN films”为题，发表于《Moore and More》，该论文由宁波材料所联合中国科学院物理研究所、上海交通大学、中国科学技术大学及粤港澳大湾区量子科学中心共同完成。

4英寸是电子信息材料从科研实验室走向量产器件制造工厂的关键尺寸，此次4英寸原子级磁控溅射外延的成功研制，在分子束外延MBE和化学气相沉积CVD这两种薄膜外延方法之外，发展了一种晶圆级单晶薄膜的原子级制造新方法，为我国集成电路、量子科技等领域的晶圆级薄膜外延设备的自主可控提供了一种新的技术路径和装备选择。

4英寸AlScN及AlScN/TiN单晶薄膜

（原子尺度与微纳制造实验室 项淑玲）