稀土氧化物半导体掺杂体系的电子结构调控及其磁性与光催化性能研究

This research proposal will focus on the optical, electrical and magnetic properties of multiple functionalized CeO2 semiconductor to meet the demands for optimal utilization and sustainable development of resources. Based on the co-doping strategy from theoretical calculations, the electronic structure, spintronics, optical and photocatalytic properties of 2D CeO2 with metal-nonmetal co-doping will be systematically investigated. In this work, Sn、Mg and Pr will be chosen as the metal dopants, while the nonmetal dopants are N and S elements. The relationship between co-dopants and doping concentration will be concluded. And the effect of co-doping on the hole states and the evolution of oxygen vacancies will also be explored. Furthermore, to explore the oxidation behavior of doped CeO2 system, the formation energy and mobility of oxygen vacancies in the surface of epitaxial thin films with different orientation will be analyzed. On the other hand, the hybrid functional calculations, which can correlate the localization interaction of 4f obitals, will be employed to explore the effect of electronic structure modification on the formation and coupling of localized magnetic moments and the change of the bang gap. With the above experimental and theoretical results, the corresponding physical models will be built to predict and tune the magnetic and photocatalytic properties of CeO2 semiconductor.

本项目结合国家对资源优化利用和可持续发展的需求，研发稀土氧化物半导体CeO2材料的光、电、磁等多功能特性。提出结合理论计算的共掺杂改性研究构想，拟对具有二维结构的金属-非金属二元共掺杂CeO2体系的电子结构、铁磁性以及光催化性能进行系统研究。研究不同取向的外延薄膜表面上氧空位的形成能与迁移率，进而探究影响材料氧化活性的因素。选取金属元素(Sn、Mg、Pr)与非金属元素(N、S)作为共掺杂成分，研究共掺杂元素之间的协同作用对元素掺杂含量的影响规律，分析不同掺杂过程对体系空穴态和氧空位演变趋势的影响作用。同时，结合第一性原理计算方法，利用杂化泛函方法处理体系轨道局域化问题，揭示体系电子结构变化对体系局域磁矩形成、磁耦合强度和体系光学带隙影响的本征机制和物理起源。建立相关物理模型，为调控和预测CeO2体系铁磁性行为及提高其光催化效能，提供有效的实验和理论依据。

本项目从理论计算和实验探究两方面入手，对金属、非金属掺杂CeO2体系的电子结构、铁磁性以及光催化性能进行了系统的研究。选取金属元素(Sn、Mg、Zr)与非金属元素(C、N)作为掺杂成分，分析不同掺杂过程对体系空穴态和氧空位演变趋势的影响作用。利用杂化泛函方法处理体系轨道局域化问题，揭示体系电子结构变化对体系局域磁矩形成、磁耦合强度和体系光学带隙影响的本征机制和物理起源。实验结果表明：采用射频磁控溅射方法制备Ce1-xSnxO2薄膜样品，样品均具有铁磁性和择优生长取向，其磁性来源于本征缺陷：如晶格扭曲、Ce3+浓度及氧空位VO；采用水热反应法制备Ce1-xZrxO2和Ce1-xMgxO2纳米粉末样品，研究发现掺杂Mg、Zr等元素对CeO2纳米材料结构、光学、磁性有重要影响，磁性归因于VO缺陷的存在，Ce1-xMgxO2样品的光学带隙变窄并出现轻微红移，这是由于VO和Ce3+形成靠近导带的中间能级引起的。利用第一性原理计算研究了C和N掺杂的CeO2体相和（111）表面的电子结构、磁学性质以及光学性质，研究表明C、N掺杂CeO2体系，特别是C原子的掺杂，可以有效地提高太阳光谱的利用效率。本项目研究为调控和预测CeO2体系铁磁性行为及提高其光催化效能，提供有效的实验和理论依据。