非化学配比的非晶过渡金属氧化物磁性半导体的微观结构与磁性调控

Compared with the crystalline oxide magnetic semiconductors, high Curie temperature, high saturation magnetization and high degree of spin polarization are possessed by non-stoichiometric amorphous transition metal oxides (ATMO) magnetic semiconductors, such as ZnCoO and TiCoO, which belong to a new type of spintronics material. However, it is difficult to experimentally characterize the microstructure of ATMO, and it is urgent to study the correlation among the atomic components, the microstructure and the origin of ferromagnetism. In response to these problems, the current project will finish the following research tasks. (1) By performing the molecular dynamics simulations in conjunction with the first-principles calculations, we will study the microstructure of experimentally prepared ATMO with high Curie temperature, saturation magnetization and degree of spin polarization. (2) We will investigate the relation between the microstructure and the localized states near the band gap. Then a theoretical model for the exchange interactions mediated by the localized states will be established. (3) We will reveal the microstructure and magnetization dependence on the stoichiometry of component ions. (4) By optimizing the atomic components and the microstructure, we will search for the ATMO with even higher Curie temperature, magnetization and degree of spin polarization. Our research will provide the theoretical support for preparing the novel magnetic semiconductors.

与晶态氧化物磁性半导体相比，ZnCoO、TiCoO等非化学配比的非晶过渡金属氧化物磁性半导体具有高饱和磁化强度、高居里温度以及高自旋极化率，有望成为新型的自旋电子学材料。非晶过渡金属氧化物在实验上很难表征微观结构，其组分、微观结构与磁性起源之间的关联亟待研究。针对以上问题，本项目拟(1)结合分子动力学模拟和第一性原理计算方法，确定实验上发现的具有高饱和磁化强度、高居里温度以及高自旋极化率的非晶过渡金属氧化物磁性半导体的微观结构；（2）研究微观结构与带边局域态的关系,建立带边局域态传递磁交换作用的理论模型；（3）研究氧离子与金属离子的非化学配比对非晶过渡金属氧化物的微观结构和磁性的调控机制；（4）优化非晶过渡金属氧化物的原子组分和微观结构，获得更高磁化强度、居里温度和自旋极化率的非晶过渡金属氧化物。该项目的实施有望为设计高居里温度、高自旋极化率的新型磁性半导体材料提供理论指导。

本项目是基于“非晶过渡金属氧化物在自旋电子学、新能源材料和信息技术领域的重要应用前景”下立项开展的，取得的主要成果包括：(1) 与周期性结构相比，非晶过渡金属氧化物在光催化分解水反应中具有更高的反应活性；我们发现，第一性原理分子动力学模拟过程中非化学配比的CoZnO1-x原子间相互作用与过渡金属的配位数密切相关，而配位数直接决定了非晶过渡金属氧化物的催化性能。(2) 针对非晶钙钛矿结构SrTiO3(1-x)（a-STO）阻变材料，我们发现化学配比的a-STO具有晶态SrTiO3类似的带隙，而缺氧的a-STO在带隙中出现浅施主能级；以上结果从能带角度揭示a-STO的阻变机制与化学配比之间的关联性，在此基础上，利用分子动力学模拟揭示了氧离子可能的迁移机制。(3)开展了过渡金属修饰石墨烯结构氧化锌（TM-g-ZnO）的能带和分子吸附特性的研究，发现该体系可能存在新颖的spin gapless态和对NO的巨大磁响应，有望在自旋电子学领域获得应用并制备出新型NO生物传感器。以上成果为设计新型自旋电子学、光催化和信息存储材料提供了理论指导。在本项目资助下，发表SCI文章8篇，培养研究生5人，参加国内外会议5人次。项目支出16.9万元，结余经费7.1万元。剩余经费将用于项目后续工作相关开支。