稀磁半导体纳米材料的可控合成及其自旋物理学研究

According to spin dynamics induced by energy band cutting for diluted magnetic semiconductor nanomaterials (DMSNs), modified sol-gel method and hydrothermal-solvent thermal technology were used to adjust the functional ionic liquids, stabilizers, surfactantsagents, catalysts, metal salts, substrates and template types, temperature field, concentration field and the characteristics of the nanoparticles field to controllable morphologies and structure parameters for several typical DMSNs. Effective Hamiltonians of the DMSN matries are calculated by exchange integrals of wave function for Bloch state located from conduction band at the bottom to the top of valence band based on Monte Carlo simulation, and then the DMSN spin Brillouin function, the spin polarization type of exchange interaction of the spin relaxation, and the center of the Brillouin zone of the local magnetic moment are also deduced. Growth kinetics of DMSNs, microstructureS, thermodynamics, energy band engineering, electronic structures and bonding states , spin-orbital and carriers interaction are systemictally analyzed, and physical relations including the morphologies, structural parameters, controllable energy band and magnetic origin of intrinsic mechanisms, carriers transport, magnetic transport, magneto-optical effects and magnetro-electric coupling for the potential DMSN applications provide some experimental practices and theoretical bases for quantum modifying high Curie temperature DMSN spintronic devices.

以稀磁半导体纳米材料（DMSN）的能带裁剪所产生的自旋动力学为依据，采用改进的sol-gel法和水热-溶剂热技术，通过调整功能性离子液体、稳定剂、表面活性剂、催化剂、金属盐类、衬底和模板类型、温度场、浓度场和纳米粒子特性场来控制合成几种典型DMSN的形貌和结构参数。利用蒙特卡洛模拟DMSN的导带底部和价带顶部布洛赫态波函数的交换积分计算出DMSN系统有效的哈密顿量，由此推导出DMSN的自旋布里渊函数、自旋极化、自旋弛豫和布里渊中心区局域磁矩的交换相互作用的类型。拟通过对DMSN生长动力学、微结构、热力学、能带工程、电子结构及其键合、自旋与轨道和载流子相互作用的系统分析，探索具有潜在应用价值的DMSN形貌、结构参数和能带可控及其磁性起源的内禀机制与载流子输运、磁输运、磁光效应和磁电耦合作用的物理关联，为量子调控高居里温度的DMSN自旋电子器件研究提供一定的实践经验和理论依据。

以稀磁半导体纳米材料(DMSNs)的能带裁剪所产生的自旋动力学为依据，通过对DMSNs生长动力学、微结构、热力学、能带工程、电子结构及其键合、自旋与轨道和载流子相互作用的系统分析，探索具有潜在应用价值的DMSNs形貌、结构参数和能带可控及其磁性起源的内禀机制与载流子输运、磁输运、磁光效应和磁电耦合作用的物理关联。基于摩擦起电和静电感应耦合原理，构筑一种智能、绿色、高性能、无外加电源、持久和稳定输出的能量供给装置——DMSNs与碳氟高分子薄膜复合基摩擦纳米机(TENGs)阵列来为自驱动传感器和主动式探测器提供动力支持。采取理论结合实践的研究方法，以摩擦起电和静电感应耦合效应为出发点，结合COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件和有限元方法(FEM)从电路理论中寻找DMSNs基摩擦纳米发电机(TENGs)的电学输出特性、规律和突破口，建立交变电场作用下TENGs电路中电压、电流的微分方程。通过优化TENGs器件结构和后端处理电路，对TENGs的输出电压、电流和功率进行有效调控，从而为DMSNs基自驱动系统的稳定的工作提供绿色、稳定、长久的动力支持。利用COMSOL软件和有限元法分析TENGs的电压、电流、电荷转移量和等效电容，并结合TENGs阵列在开路、短路和外接负载时的V-t、I-t和Q-t等特征曲线进行实证研究。系统研究摩擦层的微结构、元素组分、键合状态、膜层复合、高压极化、电子皮肤、器件尺寸、阵列结构、工作频率、温度变化条件下的开路电压、短路电流、电荷转移量、阻抗匹配、输出功率、持久性、稳定性及其使用寿命，从而有效调控DMSNs基TENGs的输出特性。利用控制电路、换能器、微控制传感技术、数据采集技术、封装技术、控制单元和通讯系统，将DMSNs基TENGs和电子皮肤器件集成起来，在无外加电源时实现主动式电子皮肤基传感器和人体健康监测器的预测、诊断和探测工作。