磁性异质纳米结构的界面设计、表征和特性研究

Magnetic heterostructures at nanoscale are one of the most important routes to construct nanomaterials and nanodevices with peculiar properties. Thus the research on the physical problems in their structure, property, fabrication, and application is of great scientific importance. In this project, a series of magnetic core-shell structures and nanoparticle-supporter heterostructures at nanoscale will be synthesized through wet chemical methods at different conditions. Based on the investigation of the relationship between the synthesis method, conditions, morphology, size, chemical composition, and structure of the synthesized nanoparticles, we will develop the controllable synthesis method for the fabrication of magnetic heterostructures at nanoscale. The morphology, size, microstructure, composition, electronic structure, magnetic structure of the heterostructures and their evolution will be explored with advanced transmission electron microscopy (TEM) including environmental aberration-corrected TEM. The magnetic, optical, catalytic, and supercapacitor properties of the heterostructures will be measured and then the relationship between property and structure will be studied. The objective of the project is to establish a comprehensive and integrated research with sequence of synthesis, composition, structure, and property assisted with computing simulation, and to reveal the deep physical mechanism of the dependence of magnetic, optical, catalytic, and supercapacitor properties to atomic structure and electronic structure of the heterostructures, which will propel the application of magnetic heterostructures at nanoscale in information and energy areas.

磁性纳米异质结构是构筑具有特异性能的纳米材料和器件的重要途径，深入研究其结构、性能、制备与应用中的物理问题，具有重要的科学意义。本项目拟采用湿化学方法，改变制备条件，制备一系列形态和界面结构可控的磁性纳米核壳结构和粒子-载体磁性纳米异质结构，弄清制备方法和条件对磁性纳米核壳结构的形态、尺寸、界面结构、成分等的影响规律，发展磁性纳米异质结构的可控制备方法。综合采用包括环境气氛球差校正电镜等多种先进的电子显微分析方法，多尺度表征磁性纳米异质结构界面的原子排列、电子结构、磁结构及其演化，发展磁性纳米异质结构的原位高分辨电子显微方法。测量磁性纳米异质结构的磁学、光学、催化、超级电容等物理化学性质，探索界面结构与性质间的相互关系，结合模拟计算，揭示磁性纳米异质结构界面的原子排列、电子态、磁结构等影响其磁学、光学、催化、超级电容等性质的物理本质，推进其在信息、能源等领域的应用。

磁性纳米异质结构是研究晶格/自旋/电荷/轨道等相互作用的理想的物理研究平台，是信息技术时代器件和芯片的基本组成单元，也是能源催化等重要工业领域关键材料之一。由于其量子限域效应、界面效应、表面效应等，在信息、能源等领域展现出新奇特性和潜在应用前景。.通过本项目研究，设计制备了具有单晶核壳的Au@Ni12P5、不同界面结构的Au-NiSx磁性异质纳米结构，发现基于金属与半导体之间的界面耦合和协同效应，提升其催化性能。制备的Pt-Au/C催化剂具有表面干净、颗粒负载密度高、Pt-Au毗连位点丰富等特点，显示商业Pt/C催化剂的153倍的甲酸氧化质量比活性。制备的CoO@Co3O4纳米颗粒组装的核壳结构多孔微球在10 A·g-1电流密度下充放电4000次条件下比电容为1331.1 F·g-1。利用表面增强拉曼散射研究了Ag-MoS2边界处的局域应力随时间的演化，发现Ag-MoS2界面的局域应变随时间演化并弛豫为MoS2平面内的非局域应变，应变开始弛豫的时间取决于MoS2的层数及其与衬底的界面相互作用强弱。.利用环境气氛球差校正透射电镜，研究了Ni-Pt纳米结构的表面拉伸应变、MoS2表面Au颗粒在电子束辐照下的加速择优取向和聚合生长过程，发展了原位高分辨电子显微方法。.基于上述研究，在原子、亚原子层次揭示了磁性异质纳米结构的制备-成分-界面结构-性能之间的内在联系，为高效、环境友好的磁性纳米异质结构的设计制备、界面调控及应用提供了实验及理论基础。.发表SCI论文32篇，其中在影响因子5.0以上刊物上发表SCI论文17篇；出版学术专著3部；在国际学术会议和全国学术会议做邀请报告14次，组织国际学术会议2次。申请国家发明专利5项；出站博士后1名，博士生1名，硕士生5名，在读博士生5名；项目负责人入选国家百千万人才工程，获中国发明协会发明创业奖·人物奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖。