掺杂ZnS半导体纳米材料的精细结构与磁、光性能的关联机理

磁性元素掺杂半导体在自旋电子学和光电子学领域具有广阔的应用前景，但长期以来材料铁磁性的起源及磁性、发光性能的物理机制一直未得到统一的认识。本项目拟采用实验研究和计算机模拟相结合的方法，制备稀土元素掺杂ZnS纳米线和纳米颗粒；并对材料进行表面修饰、强磁场（10 T）原位合成及稀土多元复合掺杂。通过同步辐射X射线吸收精细结构测试和亚埃结构观察，分析材料的表面成分、表面精细结构、表面电子结构，以及掺杂元素的局域环境，包括元素价态、近邻原子种类、配位数、无序度、结构缺陷等，判断掺杂ZnS铁磁性的本征属性；应用X射线磁圆二色技术测定掺杂磁性离子的自旋和轨道磁矩，分析sp-d交换相互作用；结合密度泛函第一性原理计算，建立掺杂ZnS纳米材料精细结构、能带结构和磁、光性能的相互关系，建立理论模型，深入理解掺杂半导体铁磁性机制和发光机制。

磁性元素掺杂半导体在自旋电子学和光电子学领域具有广阔的应用前景，但长期以来材料铁磁性的起源及磁性、发光性能的物理机制一直未得到统一的认识。本项目制备了过渡族金属元素掺杂的稀磁半导体纳米粒子、纳米棒和薄膜材料。首先，通过化学方法对材料进行表面改性，包括使用表面活性剂对材料进行表面修饰和制备核壳结构的异质复合纳米材料，揭示了材料物相结构、成分，重点是表面成分和表面结构，对材料磁、光性能的影响规律和物理机制；同时，采用先进的同步辐射X射线吸收精细结构谱研究了稀磁半导体纳米材料的精细结构，结合相关理论计算得出了材料中掺杂元素的局域结构信息，包括掺杂元素的价态、近邻原子种类、配位数、键长、结构缺陷等，揭示了材料精细结构与性能的关联机理，并进一步清晰得阐述了材料磁性的起源和物理机制。此外，将强磁场引入到薄膜的氧化和晶体生长中，依靠强磁场改变材料晶体取向、结晶性等结构参数，在分析磁场强度对薄膜形貌、微观结构和磁学性能的影响基础上，深入探讨了磁场因素对反铁磁氧化物薄膜材料变化过程的一般作用规律，借此探索改善材料性能的新方法，并进一步理解精细结构与材料性能的关联机理。