激光诱导铌表面氮化：相演变与超导行为

激光氮化是一种调控金属表面性能的通用方法。迄今为止，其对氮化铌超导响应的影响在很大程度上仍未探索。本文研究了在受控氮气气氛（最高2.50 bar）下，使用波长为1064 nm的纳秒脉冲激光照射铌的氮化过程。通过独立调节氮气压力、二维累积注量($F_{2D}$)和激光辐照度，我们建立了一个激光加工图谱，用于形成$\beta$-Nb$_2$N（六方）和$\gamma$-Nb$_4$N$_{3\pm x}$（四方）相的混合物或仅形成$\beta$相。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和电子背散射衍射的系统分析表明，当$F_{2D}$超过特定值（2.50 bar下> $50 \,\mathrm{kJ/cm^2}$）时，富氮$\gamma$相通过熔化在近表面层形成。在其下方观察到$\beta$层，更内部则是嵌入在Nb基体中的$\beta$晶粒带。其尺寸随距表面距离增加而逐渐减小，表明存在热梯度和扩散形成机制。当$\gamma$相占主导时，观察到超导临界温度显著升高，最高达$T_c \approx 15\,\mathrm{K}$，并出现磁不可逆性。对于低$F_{2D}$值（1.50-2.50 bar下约$7.5 \,\mathrm{kJ/cm^2}$），由亚微米级$\beta$-Nb$_2$N晶粒组成的均匀氮化物层的形成导致表面显微硬度提高约四倍。这些发现为通过激光诱导铌氮化来工程化具有机械鲁棒性和超导性的Nb-N层提供了基础见解。