CdS低维纳米结构的自旋极化及光电性质的调控机理研究

The low-dimensional nanostructure crystal material is one of the frontier fields in condensed matter physics research. Due to its special structure, it has some novel mechanical, magnetic, electrical and optical properties different from properties of the bulk materials. The material has great practical and potential application value. The project mainly included the following contents. ① By first principle calculation and molecular dynamics simulation, we can obtain characterization of thermal stability of CdS nanosheet, nanoribbon, nanowires, nanonode, accurately characterize the spin polarization and photoelectric properties of the nanostructure materials, and find the CdS low-dimensional semiconductor structures with excellent performance and high thermal stability. ② We will investigate the magnetic coupling mechanism in low-dimensional structures, explore physical regulation mechanism of ion doping, defect, molecular group modification, and Low dimensional quantum size effect, and investigate the law of the exchange mechanism of magnetic nanomaterials. We will design a new type of nanometer ferromagnetic semiconductor materials with long range, high Curie point and high spin polarization, and reveal the multiple and complex reason of magnetic coupling mechanism in low-dimensional structures.③ We will explore the emission properties and luminous efficiency of CdS semiconductor quantum structures, and accurately characterize the photoelectric properties of the materials. We hope that the materials has good application value in visible region and thin-film solar cell.

低维纳米结构晶体材料是目前凝聚态物理研究的前沿领域之一，其结构的特殊性使其具有一系列体相材料所不具备的新异的力学、磁学、电学、光学等特性，具有重大现实和潜在的应用价值。主要有以下研究内容：① 利用第一性原理计算和分子动力学模拟，获得CdS纳米薄片/带/线/结的热稳定性的表征，准确表征其自旋极化、光电性质，找到性能优异、热稳定性高的CdS低维纳米半导体结构。② 以低维结构中的磁耦合作用机制为主线，弄清离子掺杂、缺陷、分子基团修饰、低维量子尺寸效应等物性调控机理，找到其对磁性纳米材料的交换作用机制的影响规律。设计出具有长程、高居里点和高自旋极化率的新型纳米铁磁性半导体材料，同时揭示低维材料体系中磁耦合作用的多样性和复杂性的原因。③ 探索CdS半导体量子结构的发光特性和发光效率，准确表征材料的光电特性，以期在可见光区发光及薄膜太阳能电池上取得较好的应用价值。

本项目主要使用第一性原理计算和紧束缚模型方法，围绕低维CdS纳米面/带/线的电子结构、能带调控、光电性质和磁耦合机理进行了研究，并结合近几年凝聚态物理的发展，开展了二维拓扑绝缘体的设计和能隙调控的研究。.（1） 我们以材料的功能化为目标，建立了低维CdS纳米结构模型并进行了优化，研究结构的晶体学变化，分析其热稳定性与晶体结构之间的关系。 .（2） 构建了CdS、InN和SnO2等纳米结构，用Li、Be、B、C、N等轻元素及过渡金属Cu、Pd、Cr、Mn、Fe和Ni进行替位掺杂，研究表明掺杂原子可以有效调控其电子结构和光电性质，分析了掺杂原子的引入与材料磁性之间的关联及磁耦合作用机理，获取室温铁磁性耦合材料和对可见光有良好吸收率的光电材料。.（3）研究了不同原子修饰构型、纳米结构的宽度、施加应力等对CdS纳米面/带/线电子结构和磁性的调控，分析了边缘局域电、磁性质，研究表明边缘的不同修饰构型、结构的宽度和应力可以调控低维纳米材料的电子结构，使其具有半导体-半金属-金属不同的性质，对低维纳米结构设计和组装具有重要的理论指导意义。.（4）研究本征缺陷对二维CdS体系电子结构的影响，缺陷电荷密度分布和转移规律及材料铁磁性的起因。.（5）CdS纳米面/带/线的居里温度的调控及计算。由微结构模型，提取其交换作用常数，建立磁相互作用的海森堡模型。基于平均场理论，通过材料的居里温度与磁耦合强度之间的关系式计算了Cu掺杂CdS半导体材料的基态居里温度为400K；通过蒙特卡洛模拟了C掺杂CdSNS的磁矩和磁化率与温度的关系，推导C掺杂CdSNS的居里温度为354K。.（6）两步法制备了ZnO@CdS异质结并研究了其光催化性能，异质结能够促进光生载流子的快速分离和输运，减少光生电子和空穴的复合，提高光催化效率。.（7）研究了硅烯、锗烯及Bi烯的拓扑性并对其带隙进行了调控，使用紧束缚模型的方法计算了体系的边缘态，并计算了spin chen number及willson loop 等参数，为实验中寻找室温下的二维拓扑绝缘体提供了可行的实验方案。