EMCD和ALCHEMI研究单个DMS纳米结构的铁磁性内禀属性

传统方法不能同时进行单个稀磁半导体(DMS)纳米结构磁性质测量和二次相判定，无法直接确定铁磁性是否为其内禀属性。本项目利用通道增强微分析(ALCHEMI)和电子磁手性二色性谱(EMCD)，研究单个ZnO基稀磁半导体纳米材料的铁磁性内禀属性问题。确定掺杂离子在ZnO基体中的掺杂位置；在透射电镜下选择特殊的散射条件，构造出与X射线极化光－左旋光和右旋光等价的电子束，研究掺杂离子能量损失边的二向色性；原位加移磁场，研究二向色性谱的变化；结合同时得到的单个纳米结构的微观结构，区分磁性的类型并确定铁磁性是否是材料的内禀属性。该项目利用透射电镜的高空间分辨率，深入探讨稀磁半导体磁性掺杂离子掺杂位置、电子结构以及磁性质之间的关系，实现单个稀磁半导体纳米结构铁磁性内禀属性的判定，为理解稀磁半导体磁性起源奠定了基础，对实现其应用具有重要意义。

过渡金属元素掺杂稀磁半导体（Dilute Magnetic Semiconductors，DMS）材料是较早发现的具有室温铁磁性的 DMS材料，引起了人们的极大关注。但该材料发展中存在一重要问题：即，该材料体系中过渡金属元素可能形成磁性团簇，室温铁磁性可能不是该材料的内禀属性，这严重制约了材料的发展。本项目围绕该问题，展开了系统的研究，取得了一系列有特色的创新性成果，顺利完成了研究计划。3年来，共完成标注资助SCI收录论文7篇，大会邀请报告1次。应用通道增强微分析（ALCHEMI）确定了过渡金属元素掺杂在 ZnO基体的 Zn 取代位；应用电子磁圆二色（EMCD）方法证明 Fe 掺杂 ZnO 稀磁半导体不具有室温铁磁性，而 Co 掺杂 ZnO DMS材料中铁磁性为其内禀属性。研究发现，Fe 掺杂ZnO 和Co 掺杂 ZnO 具有极其相似的晶体结构，宏观性质却完全不同，缺陷和基体中元素的自旋极化起至关重要的作用。利用电子显微学分析手段，结合第一性原理计算，研究缺陷的不同类型、与磁性离子相对位置、浓度以及分布等对 DMS 材料电子结构的影响；研究了 O 元素和 Zn 元素的自旋极化与材料的宏观磁性质的关系。本研究解决了DMS材料研究领域室温铁磁性的判定问题，使ALCHEMI-EMCD方法成为判定单根纳米材料铁磁性内禀属性的实验证据。