金属-半导体杂化纳米结构对载流子输运特性的调控及磁性能的研究

开发具有高居里温度的稀磁半导体是半导体自旋电子材料的发展的重要课题。目前，人们通常采用共掺杂或者引入缺陷等方法在稀磁半导体中产生附加载流子（N型或P型）以实现高温铁磁性。明确稀磁半导体的载流子输运特性以及电子能带结构与铁磁性的关系，是目前迫切需要解决的科学问题。本项目将通过溶液化学法将稀磁半导体与金属单质进行杂化，制备一系列金属-稀磁半导体杂化纳米结构。研究稀磁半导体中掺杂离子的存在形式以及掺杂离子对晶体结构，电子能带结构影响。系统研究杂化结构中不同金属单质对稀磁半导体中的费米能级以及载流子注入、输运特性的调控作用，阐明电子结构与铁磁性之间的关系，探讨高温铁磁性的起源，归纳和总结出对稀磁半导体材料有指导意义的实用性规律，为纳米自旋电子与光电子器件的发展提供新的思路和技术支持。

本项目以ZnO, MgO, PrCoO3, CuFeO2等金属氧化物半导体材料作为研究对象，通过高质量样品的合成以及外来离子掺杂对材料的电子结构和载流子进行调控，实现材料的铁磁转变。首先，我们系统研究了Co2+掺杂ZnO的合成和形貌控制，研究发现通过简单调控反应初始物Zn(AC)2与Zn(NO3)2的比例，ZnCoO的形貌可以从纳米锥向纳米微球、纳米粒子转变。我们将研究进一步拓宽到ABO3钙钛矿结构的三元金属氧化物体系，研究发现，Ca2+掺杂导致PrCoO3材料中载流子浓度的增加，并伴随着Co3+自旋态的转变，从而影响其电磁特性。另一方面，我们通过理论计算揭示了Cr3+ 掺杂MgO的电子结构与铁磁性之间的关系，发现当Cr3+掺杂量为0.25时，体系作为铁磁相更为稳定，Cr3+掺杂量为0.5,0.75时，反铁磁相更为稳定。最后我们考察了Zn0.75Cr0.25S体系中Cr离子掺杂构型对体系磁性的影响。当两个Cr离子处于最近邻时，由于Cr-S-Cr反铁磁超交换作用，体系将显示出反铁磁性；而随着距离的增加，Cr离子之间主要通过Cr(3d)-S(2p)-Zn-S(2p)-Cr(3d)耦合链形成的铁磁相互作用，体系显示出半金属铁磁性。项目执行过程中，共发表论文7篇，有2篇论文发表在英国皇家化学学会的Chem. Commun上.