d0半导体纳米材料中磁性来源以及增强的物理机制研究

Semiconductor nanomaterials with room-temperature magnetism have attracted broad interests, because of the great promise in the applications of the next electric and data storage devices. In the recent year, experimental groups have reported excited results that room-temperature magnetism can be observed in the semiconductor nanomaterials without any magnetic atoms (d0 semiconductors). However, two issues, which have blocked the development of its applications, are still not clearly explored: (1)what is the origin of the local magnetic moments? (2)How do the collective magnetic ordering formed by the local magnetic moments with low concentration? In this proposal, we will investigate these issues in d0 semiconductor nanomaterials using density functional theory calculations. Through studying the formation ability of cation vacancies and cation-contained vacancies cluster, we explore the possible origion of local magnetic moments.To reveal the origin of room-temperature magnetism, we will investigate the magnetic interaction between local magnetic moments in nanomaterials and find out the effect of quantum confinement. By comparing with the formation ability of local magnetic moments, we will explore the possible origin of collective magnetic ordering observed in experiments. Moreover, we will also study whether the external factors (such as strain) can change the formation ability of local magnetic moments, and modify the magnetic coupling between local magnetic moments. By addressing the aforementioned issues, we can get the general picture to understand the origin and enhancement of magnetism in d0 semiconductor nanomaterials, and predict the possible ways for experimental studies.

具有室温磁性的半导体纳米材料，在电子器件和信息材料中有着广阔的应用前景。近年来,实验研究报道了在一些不包含任何磁性原子的半导体(d0半导体)纳米材料中存在室温磁序，但是其实验和应用的发展却被两个关键问题所阻碍：1)局域磁矩的来源；2）低浓度的局域磁矩如何形成宏观磁序？本项目拟采用密度泛函理论的方法，研究在d0半导体纳米材料中(表面、纳米线和纳米团簇)，阳离子缺陷和包含阳离子的缺陷团簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理来源。通过对纳米材料中局域磁矩间的磁有些相互作用距离进行研究，阐述纳米尺度对局域磁矩间耦合能力的影响，揭示实验观察到的室温磁序的可能来源。此外，理论上探索在现有的实验制备条件下，一些不可避免的外界因素（外界应力）对半导体纳米材料中局域磁矩形成能力以及磁相互作用的影响，并总结其一般规律，预言实验可能增强磁性的途径，为进一步的实验研究提供一些理论依据和指导。

项目按计划执行。本项目研究的主要目标是采用密度泛函理论的方法，研究在d0 半导体纳米材料中(表面、纳米线和纳米团簇)，阳离子缺陷和包含阳离子的缺陷团簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理来源。主要研究进展包括：（1）原子层厚度过渡金属氮化物的高温铁磁性和半金属性的研究：通过第一性原理计算，我们发现实验上刚刚合成的MoN2单层就是这样的一种材料，它具有铁磁性并且居里温度接近420K，这比其他二维磁性材料的居里温度都要高很多。所以，研究表明过渡金属氮化物有望应用于电子自旋电子器件中。（2）d0 半导体纳米材料的磁性来源的研究：我们发现非局域阴离子缺陷轨道能导致磁矩并能形成宏观磁序。另外通过施加外界压力，被阴离子空位部分占居的非局域缺陷轨道很好地被限制了，从而导致了自发自旋有序。（3）低维铁电材料对石墨烯能隙的影响：我们构建了OH-BNSL/石墨烯的复合结构，计算结果表明通过铁电衬底我们产生了两个态，一个是金属的Dirac粒子态，一个是不导通的绝缘态。相比于传统的打开能隙机制，我们的研究提供了一个完全的新机制。(4) 半导体光催化剂g-C3N4对太阳能利用率提高的研究：对于双层g-C3N4而言，它的基本带隙因为层之间的耦合而增加了。计算得到的光吸收谱则显示它有更好的可见光吸收率。除此之外，我们计算还表明了双层g-C3N4的能隙之能通过外加电场而较易地改变，这可以用来控制它的光的吸收。(5) ZnO单层的研究：我们考虑了电子掺杂对结构转换的影响。可以看到，随着电子掺杂的浓度上升，石墨状结构的稳定性明显变差。在项目执行期间，发表SCI 论文11篇，包括Nano Lett, J. Chem.Phys. Lett, Appl. Phys.Lett, Nanoscale 等，2名在读研究生。