缺陷诱导硫化物纳米材料的室温铁磁性及其机理研究

深入理解磁性半导体的铁磁性机理，实现对其铁磁性的可调和可控，是实现稀磁半导体材料在自旋电子器件应用中拟解决的关键问题之一。本项目在前期工作的基础上，拟分别利用水热法和化学气相沉积法,在优化远离平衡态制备条件的基础上，结合缺陷形成基本理论，探索在硫化物纳米材料中由缺陷诱导产生铁磁性样品的制备工艺，研究缺陷对其铁磁行为的调控以及样品的铁磁性机理。通过对样品宏观磁性、微观磁性及微结构的分析得到样品中的缺陷浓度和缺陷类型及相结构与其磁特性的相关性规律，结合样品的光电性能、电子顺磁共振和磁谱测量及第一性原理计算，重点研究硫化物纳米材料铁磁性的微观磁矩起源、磁矩间相互作用及其在室温下具有稳定铁磁性的机理，为实现其在自旋电子器件及相关功能器件中的应用提供理论依据和实验基础。

近年来，随着电子科技和电子产业的飞速发展，研究者正致力于在常规电子器件中引入电子自旋，从而使将电子的自旋应用于存储、传输、处理量子信息成为可能。在对新一代自旋电子器件开发过程中，稀磁半导体由于兼具磁性物质及半导体的特性、易于与常规半导体工艺兼容而被认为是下一代利用电子的自旋自由度制成微电子器件的主要材料。硫化物基的稀磁半导体材料是目前研究的热点，已有研究结果表明利用磁性及非磁性元素掺杂都可以在ZnS及CdS中获得高于室温的铁磁性。重要的是，相对于氧化物体系，S元素较O元素的原子量大，在硫化物体系中可以利用XPS及ICP等测试手段对样品中S元素的比例进行定量的分析。如果可以在纯的硫化物体系中通过缺陷诱导铁磁性的思路来得到此类材料的本征铁磁性，那么我们就可以精确研究缺陷与其诱导铁磁性的相关性。在本项目的实施过程中，我们分别利用水热法和化学气相沉积法在优化远离平衡态制备条件的基础上，结合缺陷形成的基本理论，探索了在硫化物纳米材料中由缺陷诱导产生铁磁性样品的制备工艺，研究缺陷对其铁磁行为的调控以及样品的铁磁性机理。通过对样品宏观磁性、微观磁性及微结构的分析得到样品中的缺陷浓度和缺陷类型及相结构与其磁特性的相关性规律，结合第一性原理计算，重点研究了硫化物纳米材料铁磁性的微观磁矩起源，为实现其在自旋电子器件及相关功能器件中的应用提供理论依据和实验基础。此外，我们对项目的研究内容做了进一步的扩展，研究了类石墨烯二维材料的制备及磁特性，氧化物中界面相关的铁磁性研究，在这些方面都取得的一些成果。在项目的实施中共发表SCI论文21篇，专利1项已授权。