磁性掺杂氧离子导体中的磁机制理论和实验研究

稀磁氧化物其磁机制问题一直以来都是自旋极化材料研究领域的一个基础问题。本项目提出磁性掺杂氧离子导体中存在氧空位调制和氧离子跃迁调制的两种磁机制，通过研究体系中氧离子输运特性与体系磁特性之间的内在联系，从理论和实验上深入探讨该类材料中的磁机制问题。一方面采用第一性原理计算方法，对过渡族元素掺杂的几种氧离子导体体系进行模拟计算，考察氧空位的形成、氧离子的输运、体系的磁特性之间的内在关系，建立磁机制的物理模型；另一方面通过实验方法合成掺杂氧离子导体材料的块材、纳米粉体和薄膜，通过对各体系氧离子传导特性和磁特性的实验测试，确立氧空位状态、氧离子输运特性与磁机制之间的内在物理关系，对理论建立的物理模型进一步验证，最终针对磁掺杂的氧离子导体材料建立完善的磁性耦合物理机制。

1. 理论方面通过第一性原理计算，系统研究了V、Cr、Mn、Fe、Ni等离子掺杂CeO2介电体系的磁性起源机制。计算结果发现：掺杂体系的单元总磁矩和磁性离子贡献的磁矩随掺杂元素d 轨道电子数的增加呈先增加后减小的趋势，在Mn 3d5时达到最大。结果证实了磁性3d元素在其中的磁交换耦合机制：没有氧空位时是反铁磁交换；在氧空位存在情况下产生铁磁性超交换耦合。.2. 实验上通过制备磁性离子掺杂CeO2粉体、块材、薄膜及表征测试，系统研究了体系的室温铁磁性。得到了具有明显室温铁磁性且择优取向可控的Co:CeO2薄膜材料，为开发先进自旋器件提供了材料基础。另外研究了磁性离子掺杂La2O3材料的磁性机制问题，发现其中同样存在氧空位调控的铁磁性交换耦合机制。.3. 实验研究了磁性离子如Fe、Mn、Ni掺杂CaCu3Ti5O12巨介电材料的介电及磁性，合成出具有室温铁磁性的Fe、Ni掺杂的CCTO体系，同样通过实验研究发现其中也存在铁磁性交换耦合机制。进而推论：在介电材料中存在的磁性离子，只要能够通过合适的手段引入稳定存在的氧空位，即可以得到稳定的铁磁交换耦合。这一普遍性结论为开发稀磁氧化物提供了有益的理论指导及研究思路。.4. 为了合成低维稀磁纳米颗粒或纳米棒，理论研究了纳米棒的生长动力学问题，探索了生长中各实验条件如温度、离子浓度、纳米棒形状、直径等因素对棒状纳米基团的生长影响。.5. 通过静电纺丝技术成功制备出磁性掺杂的CeO2以及Cu2ZnSnS4半导体纳米纤维，此类低维材料将用于磁量子器件及半导体光伏器件的应用研究。