表面活性剂对纳米稀磁磁性调控机制的同步辐射X射线吸收谱学研究

稀磁半导体是一类重要的自旋电子学材料，被认为在未来的芯片、信息存储领域中有着巨大的潜在应用价值。近年来，几个科研小组在尝试着将纳米技术与这种材料结合后，发现纳米稀磁具有更加独特的性质，特别是近来一系列的实验工作通过改变纳米颗粒表面化学环境实现了对材料室温铁磁性质的调控，这个结果预示了纳米稀磁材料会在实际的应用中发挥更大的作用。尽管如此，这些研究尚处在摸索阶段，目前缺少基础性的研究对这些实验现象进行归纳以总结出其作用机制作为后续研究的理论支撑。申请者将系统地研究ZnCoO、ZnMnO纳米体系中表面活性剂对于掺杂磁性离子周围原子尺度局域结构的影响，进而模拟其电子结构以分析其磁学性质，从微观局域结构角度建立表面活性剂对于磁学性质影响的机制。主要研究手段为基于同步辐射的X射线吸收谱学结合低温原位技术、多重散射理论计算及密度泛函计算。

在本课题执行中，我们针对两类热点纳米稀磁半导体材料锰掺杂氧化锌（Mn-doped ZnO）以及钴掺杂氧化锌（Co-doped ZnO）体系进行了系统地研究，重点揭示了几种表面活性剂调控体系室温铁磁性的分子水平机理。主要开展了以下三个方面的研究工作并取得了几点有益的结论：1）、利用低温XAFS实验结合密度泛函理论研究了10 nm Mn-doped ZnO体系，结果表明在没有表面活性剂修饰的条件下，掺杂原子倾向于形成反铁磁交换的Mn-O-Mn二聚体形式存在于基底晶格中，同时引起基底晶格的局域无序，这个结果解释了该体系所具有的较大的负Curie–Weiss温度这一性质；2）、利用软X射线谱学结合其它常规表征手段研究了2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠（AOT）、聚乙烯基砒咯烷酮（PVP）修饰的Mn-doped ZnO体系，结果指出在样品表面的Mn3+离子占据了扭曲的四面体晶格位置，而不同表面修饰下促使金属Mn-3d电子与阴离子p电子不同的杂化强度，揭示了强电子关联效应和p-d耦合对室温铁磁性的出现起着关键的作用；3）、针对Co-doped ZnO体系，利用相似的实验手段研究了不同浓度油酸修饰对于磁性的影响，结果表明随着油酸浓度的增加，钴富集的闪锌矿结构从基底晶格中分离出来，密度泛函理论计算指出室温铁磁性与这种新相中Co-Co的铁磁超交换有直接的关系。综合三个研究工作，我们认为在这两种体系中，掺杂原子间的短程磁交换作用是体系磁性的来源，表面修饰通过影响掺杂原子的局域结构实现对体系磁性的调控。除以上体系研究外，我们还在方法学发展上取得了两个重要成果：1）、基于上海光源XAFS实验站搭建了低温平台，可实现～4 K温度下开展XAFS实验；2）、掌握了过渡金属L-edge XAS数据的模拟计算方法。