基于Kirkendall效应制备CuO粒子填充的一维核壳纳米结构及其稀磁性能研究

本项目基于Kirkendall效应，结合ALD技术和催化辅助的气相输运、MOCVD等方法，实现CuO粒子填充的一维稀磁核壳纳米结构在尺寸、形貌和组分、密度和有序性、生长取向、异质结构和材料掺杂浓度等方面的控制合成。利用多功能物理性能测试系统、高精度材料表征和超快非线性光谱测试设备等实验手段，对制备的核壳纳米材料的晶体结构和组分、磁光电性能等物理效应进行研究；分析结构参数对其磁光存储性能的影响，并做出理论解释。研究材料生长的微观动力学过程以及生长条件对该结构形成的影响。通过采用基于原子轨道的第一性原理密度泛函方法和数值格林函数方法计算该稀磁材料中的局域磁矩之间的主要相互作用，阐明CuO纳米粒子和Cu掺杂氧化物稀磁半导体磁性起源的微观机制及主控因素。探索基于一维CuO稀磁核壳纳米结构材料的磁光存储原型器件。

本项目顺利完成了计划书所制定的任务，共发布了SCI收录论文36篇，申请了中国发明专利23项，并已获授权7项，共培养博士3名，硕士5名。本项目以热蒸发、水热、ALD等技术成功合成了Al2O3@In2O3、Cu2O@ZnO、Cu2O@TiO2、Cu2O@TiO2@ZnO和Cu2S@ZnO等多种一维和三维核壳纳米结构，研究了其生长机理，探讨了诸如Kirkendall等物理效应在核壳纳米结构生长过程中的作用。我们在非磁性元素（如Cu）掺杂的SnO2、ZnO等纳米结构中观察到了室温铁磁性，通过理论计算发现其磁性起源是由结构缺陷以及替位掺杂引人的Cu 离子周围的存在着较强的铁磁p-d耦合引起的。其次，在材料合成的基础上，研究了核壳纳米结构在光致发光、场致发射、光催化等方面的性能，并从能带理论提出了表面隧道效应、p层（Cu2O）和n层（ZnO、TiO2）形成的异质结构是其性能得以改善的原因，为该类型核壳纳米结构进一步走向实用化奠定了可靠的理论和实验基础。另外，我们基于自组装和生物模板等方法合成了α-Fe2O3，ZnO等多种材料的周期性或类金刚石纳米结构的光子晶体，并研究了其在结构色、光致发光等方面的性能。