《ZnO基納米結構中磁性質及自旋相關的光、電效應》是依託揚州大學，由許小勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：ZnO基納米結構中磁性質及自旋相關的光、電效應
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：許小勇
- 依託單位：揚州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
利用磁控濺射、化學氣相沉澱和水熱法製備出形貌、排列、組裝密度等可控的有序ZnO基納米結構。結合高分辨固體核磁共振、現代低溫順磁共振及瞬態光致激發譜、光致發射譜等先進表征手段，形成對特定摻雜或缺陷可控的製備方案和後處理方案。系統地探究ZnO基納米結構中的自旋相干態，並採用基於密度泛函的第一性原理拓展現有的理論模型，進一步澄清目前爭議頗多的磁性起源和機理。進而實現穩定的、可重複的室溫鐵磁性，並研究依賴於自旋的光、電效應，擬揭示以微結構為紐帶的磁、光、電關聯性。本項目旨在揭示ZnO基納米結構中室溫鐵磁性的起源和機理，實現穩定的、可控的、新穎的室溫磁光、磁電效應，為自旋電子學器件的開發和套用奠定基礎。
結題摘要
本項目詳細研究了多種的ZnO基納米結構中微結構關聯的磁效應，並展現出缺陷態、表面態等聯繫的磁學和光學性質的對應關聯，進而加深了對ZnO中室溫鐵磁性根源的認識，建立了以微結構調控電子態結構為基礎的光學、磁學等物理模型，推進了ZnO微納材料中物理性質的微結構調控工程。典型成果如下：（1）在化學共沉澱法製備的ZnO納米顆粒中展現了磁學性質和光學性質的尺寸依賴性。利用XPS、EPR等手段識別出正一價氧空位缺陷是ZnO納米顆粒中存在一種主要缺陷，其形成的帶間深能級，能夠作為ZnO納米顆粒強綠螢光的發光中心，且其具有不成對電子，能夠作為順磁中心（F+）激髮長程的磁有序。特別是，隨著納米顆粒尺寸的增大，螢光強度和鐵磁性強度都單調減小，進一步說明在比表面積極大的納米顆粒中，缺陷主要集中在顆粒的表面，進而相應的物理性質也能夠通過尺寸進行操控。（2）通過比較高溫CVD和低溫水熱合成的ZnO納米棒中磁學和光學性質的差異，進一步豐富了ZnO納米結構中光學和磁學性質的表面效應。利用TEM、EDS、FTIR等手段證實了水熱製備的ZnO納米棒表面覆蓋著大量的-OH基團，其能夠淬滅表面缺陷態聯繫的可見螢光，卻誘導出強室溫鐵磁性。選擇性氣氛（O2、H2、N2）退火能夠驅除-OH基團並重構表面態，展現出不同的螢光和磁性特徵，為揭示鐵磁性和可見螢光的缺陷根源提供了新的素材。此外，HRTEM、SAED、EPR及Raman等表征一致顯示高溫O2退火會在水熱合成的ZnO納米棒表面引入氧填隙缺陷，並導致c軸方向上晶格歧變，進而增強鐵磁性耦合，並使PL光譜紅移。（3）拓展研究了ZnO：Cu和SnO2：Co的納米顆粒中室溫磁學性質及光學性質隨摻雜濃度的變化關係。X射線衍射、能量色散光譜、紫外-可見吸收光譜以及光致螢光光譜的測量證實了摻雜過渡金屬元素以替代Zn位的形式存在，並沒有形成金屬團簇或其它氧化物。磁性測量表明：低濃度摻雜有利於鐵磁和順磁的形成，而過高濃度的摻雜會帶來近鄰金屬離子之間反鐵磁超交換作用，進而減弱鐵磁性。微結構依賴的磁性演化進一步驗證了廣泛爭議的BMP模型。
