ZnO基纳米结构中磁性质及自旋相关的光、电效应

利用磁控溅射、化学气相沉淀和水热法制备出形貌、排列、组装密度等可控的有序ZnO基纳米结构。结合高分辨固体核磁共振、现代低温顺磁共振及瞬态光致激发谱、光致发射谱等先进表征手段，形成对特定掺杂或缺陷可控的制备方案和后处理方案。系统地探究ZnO基纳米结构中的自旋相干态，并采用基于密度泛函的第一性原理拓展现有的理论模型，进一步澄清目前争议颇多的磁性起源和机理。进而实现稳定的、可重复的室温铁磁性，并研究依赖于自旋的光、电效应，拟揭示以微结构为纽带的磁、光、电关联性。本项目旨在揭示ZnO基纳米结构中室温铁磁性的起源和机理，实现稳定的、可控的、新颖的室温磁光、磁电效应，为自旋电子学器件的开发和应用奠定基础。

本项目详细研究了多种的ZnO基纳米结构中微结构关联的磁效应，并展现出缺陷态、表面态等联系的磁学和光学性质的对应关联，进而加深了对ZnO中室温铁磁性根源的认识，建立了以微结构调控电子态结构为基础的光学、磁学等物理模型，推进了ZnO微纳材料中物理性质的微结构调控工程。典型成果如下：. （1）在化学共沉淀法制备的ZnO纳米颗粒中展现了磁学性质和光学性质的尺寸依赖性。利用XPS、EPR等手段识别出正一价氧空位缺陷是ZnO纳米颗粒中存在一种主要缺陷，其形成的带间深能级，能够作为ZnO纳米颗粒强绿荧光的发光中心，且其具有不成对电子，能够作为顺磁中心（F+）激发长程的磁有序。特别是，随着纳米颗粒尺寸的增大，荧光强度和铁磁性强度都单调减小，进一步说明在比表面积极大的纳米颗粒中，缺陷主要集中在颗粒的表面，进而相应的物理性质也能够通过尺寸进行操控。. （2）通过比较高温CVD和低温水热合成的ZnO纳米棒中磁学和光学性质的差异，进一步丰富了ZnO纳米结构中光学和磁学性质的表面效应。利用TEM、EDS、FTIR等手段证实了水热制备的ZnO纳米棒表面覆盖着大量的-OH基团，其能够淬灭表面缺陷态联系的可见荧光，却诱导出强室温铁磁性。选择性气氛（O2、H2、N2）退火能够驱除-OH基团并重构表面态，展现出不同的荧光和磁性特征，为揭示铁磁性和可见荧光的缺陷根源提供了新的素材。此外，HRTEM、SAED、EPR及Raman等表征一致显示高温O2退火会在水热合成的ZnO纳米棒表面引入氧填隙缺陷，并导致c轴方向上晶格歧变，进而增强铁磁性耦合，并使PL光谱红移。. （3）拓展研究了ZnO：Cu和SnO2：Co的纳米颗粒中室温磁学性质及光学性质随掺杂浓度的变化关系。X射线衍射、能量色散光谱、紫外-可见吸收光谱以及光致荧光光谱的测量证实了掺杂过渡金属元素以替代Zn位的形式存在，并没有形成金属团簇或其它氧化物。磁性测量表明：低浓度掺杂有利于铁磁和顺磁的形成，而过高浓度的掺杂会带来近邻金属离子之间反铁磁超交换作用，进而减弱铁磁性。微结构依赖的磁性演化进一步验证了广泛争议的BMP模型。