同步辐射空间分辨软X射线磁二色方法及其应用

The recent quick development of spintronics devices urged people to controllably fabricate multi-functional materials at the nano-/micro-meter scale, in order to meet the modern challenges on magnetic materials. Therefore, new space-resolved experimental techniques capable of detecting the microstructures (electronic and atomic structures) and micro-magnetism (orbital and spin magnetic moments) in a specific space is highly desired. Due to the high brilliance, wide wavelength band and good polarization, synchrotron radiation light sources have great advantages for developing space-resolved techniques. In order to supply domestic users a public magnetism research platform, we propose to build at the XMCD station of National Synchrotron Radiation Laboratory a combined technique of magnetic dichroism/X-ray absorption spectra, which could be measured under high magnetic field and low-temperature conditions. Combining this space-resolved synchrotron radiation technique with other macroscopic characterization methods as well as first-principles calculations, we will study at the sub-micrometer scale the ferromagnetism and magnetoelectric coupling effects of two-dimensional ultrathin diluted magnetic semiconductor nanosheets and magnetoelectric films. From the aspects of electronic and atomic structures, we will gain insights into the microscopic ferromagnetism and magnetoelectric coupling mechnisms. The success of this project is promising to yield many characteristic results with original innovations and international impact.

自旋电子器件的迅猛发展促使人们在微米、纳米空间尺度下可控制备多功能磁性材料，以解决其对当代磁性功能材料提出的挑战，为此亟需能够从特定空间尺度上（空间分辨）对磁性元素的微结构（电子结构、局域结构）和微观磁性（轨道磁矩和自旋磁矩）进行研究的实验新方法。同步辐射因其高亮度、宽波段和偏振性好等优异特性，具有实现空间分辨技术的优势。本项目拟利用合肥同步辐射装置的软X射线磁圆二色站，建立具有亚微米空间聚焦能力的磁二色和吸收谱学技术，结合发展起来的高磁场和低温测试环境，为我国用户提供一个高水平的磁学公共研究平台。利用建立的空间分辨同步辐射技术，从亚微米的空间尺度下，在微结构和微观磁性角度上，结合宏观表征手段和第一性原理计算，深入研究二维超薄稀磁半导体纳米片和磁电薄膜材料的铁磁性和磁电耦合效应，在电子、原子水平上诠释其产生铁磁性和磁电耦合效应的微观机理，力争做出一些源头创新的、有特色和国际影响力的成果。

自旋电子器件的迅猛发展促使人们在微米及亚微米空间尺度下可控制备多功能磁性材料，以解决其对当代磁性功能材料提出的挑战，为此亟需能够从特定空间尺度上（空间分辨）对磁性元素的微结构和微观磁性进行研究的实验新方法。同步辐射因其高亮度、宽波段和偏振性好等优异特性，具有实现空间分辨技术的优势。本项目利用合肥同步辐射装置的软X射线磁圆二色站，通过更换利用直冷法设计的变温杆，结合外部控温装置，实现了温控范围在10 K至室温的变温系统。通过将磁极和电磁体分开，并将磁极与“盘”形腔体集成在一起的策略将电磁铁的主体部分外置于真空腔体的外面，实现了强度达到10000高斯的磁场。通过在后偏置镜和样品之间的光路上装入毛细管，实现了将几百微米的光斑聚焦成亚微米光斑。在此基础上，基于同步辐射谱学实验方法研究了MoS2等低维量子功能材料的结构与磁性，揭示了这些低维量子材料中通过引入磁性离子、缺陷、相掺杂以及二维薄层化改变杂质能级在带隙间的相对位置，以及相互间的杂化特征对量子功能材料的电子结构和磁相互作用的影响规律，阐释了这些工程化策略促使非磁性或反铁磁材料具有室温本征铁磁性的内在机制，为在电子、原子水平上设计制备出低维量子磁性材料提供了理论依据。另一方面研究了经表面修饰和外来原子掺杂后的Ni(OH)2和C3N4等低维量子功能材料，在光催化或电催化产氢、产氧过程中，其微观结构与宏观催化性能之间的内在联系，揭示了外来原子的配位环境以及其与载体之间的电子相互作用特征在产氢、产氧过程中扮演的角色，为指导合成高效产氢、产氧的低维能源转换材料提供了新思路。在该基金的支持下已发表SCI论文56篇，其中代表性文章为《自然•通讯》3篇、《美国化学会志》3篇、《德国应用化学》5篇。其中，5篇论文被评为ESI高被引论文。