ZnO基单相多铁材料的同步辐射研究

Thanks to the combined ferroelectric and ferromagnetic properties, single-phase multiferroic materials are important materials for the development of the next generation multifunctional spintronics devices with a set of optical, electrical and magnetic functions, and provide the material basis for the integration of information processing, storage and transmission at the same time. Currently the most important issue is to prepare single-phase multiferroic materials with a strong magnetoelectric effects at room temperature and to understand the magnetoelectric coupling mechanism. In this project we will prepare ZnO-based single phase multiferroic materials with strong magnetic coupling effect at room temperature using a method compatible with the Si process, i.e., to generate the ferromagnetic and ferroelectric cells through PLD approach doping ZnO with transition metal elements, and regulate mutual magnetic coupling effect through the introduction of impurities (Li +) and defects (oxygen vacancy). Combining XAFS techniques with measurements of the SQUID, ferroelectric analyzer, high-resolution electron microscopy and first-principles calculation of the sensitivity of the micro-structure (electronic and local structure), we will study the micro-structure of the magnetic ions and magnetoelectric effects before and after the introduction of impurities and defects, establish the intrinsic link between the two. Based upon the experimental and theoretical understanding of ferroelectric, ferromagnetic and magnetoelectric coupling effect as well as the microscopic mechanism, a new method and a new mechanism will be provided for the controllable preparation of single-phase multiferroic materials with adjustable magnetoelectric properties.

兼有铁电和铁磁两种属性的单相多铁材料是研制集光、电、磁特性于一体的下一代多功能自旋电子学器件的重要材料，为实现信息的处理、存储和传输的一体化同时进行提供了物质基础。制备出具有强磁电耦合的室温单相多铁材料及了解其磁电耦合机理，是当前需要解决的首要问题。本项目利用脉冲激光沉积法共掺杂过渡金属元素，在ZnO中分别产生铁磁和铁电单元，并通过引入杂质(Li+)和缺陷(氧空位)调控相互间的磁电耦合效应，制备出与Si工艺相兼容的具有强磁电耦合效应的ZnO基室温单相多铁材料。利用XAFS技术对微结构(电子结构和局域结构)的敏感性，结合SQUID、铁电仪、高分辨电镜等测量手段及第一性原理计算，研究引入杂质和缺陷前后磁性离子的微结构与样品的铁磁和铁电变化规律，建立两者之间的内在联系，从实验和理论上认识铁电、铁磁和磁电耦合效应产生以及可被调控的微观机理，为实现单相多铁材料的可控制备和性能调控提供新方法和新机理。

利用XAFS、XRD、EPR、HRTEM和SQUID 等技术结合密度泛函理论(DFT)计算,研究了(Co,M）共掺杂ZnO(M=Cr,Cu,Li)纳米薄膜、 Co掺杂ZnO和Co3O4量子点以及MoS2和Fe2O3二维薄片体系的结构和磁性及其相互关系。在(Co,M）/ZnO(M=Cr,Cu,Li) 体系中，在共掺杂前，Co原子以替代Zn原子的替代位和金属Co团簇两种形式存在。共掺杂Cr原子后，样品中的Co团簇消失，掺杂的Co原子只以替代位的形式分布在ZnO基体中。与之相反，共掺杂Cu/Li原子后，样品中的Co团簇含量显著增加。Co掺杂ZnO/ZnS壳核结构中，通过外延生长ZnS半导体材料，实现了Co掺杂ZnO量子点中的Co离子间磁相互作用从反铁磁转变成铁磁性。第一性原理计算进一步表明在这种壳核结构中，外延的壳结构只能使距量子点表面1.2nm以内区域的Co离子间磁性相互作用从反铁磁转变成铁磁性，与实验获得的饱和磁化强度相一致。在Co掺杂ZnO与石墨烯杂化体系中，Co掺杂ZnO量子点与石墨烯之间存在剧烈的电子相互作用，并导致了大量氧空位（VO）的产生。第一性原理和XANES结果表明，VO选择性地存在于CoZn的最近邻形成CoZn+VO复合体。CoZn+VO复合体的形成拓宽了Co2+空t2g少数态，并在导带底引入了杂质能级t2g-VO，导致了Co掺杂ZnO与RGO杂化结构中Co2+之间的室温铁磁相互作用。在MoS2纳米片体系中，提出了通过相掺杂来诱导其具有室温铁磁性的策略。在实验上，通过“两步合成法”，在2H相的MoS2 纳米片中引入硫空位，它能将周围呈八面体配位的Mo原子转变为三角棱柱的配位，从而实现将1T相的MoS2掺杂到2H相的MoS2 纳米片中。XAFS和第一性原理计算表明1T相中的Mo离子在费米面附近引入的间隙态是导致MoS2半导体纳米薄片具有高居里温度的根本原因。