界面调控下非磁性复合氧化物半导体纳米材料室温铁磁性的研究

Research on d0 ferromagnetic is one of the hotspot in field of spintronics in recent years. There is still no uniform explanation about the mechanism of d0 ferromagnetism so far.This project intends to prepare non-magnetic composite oxide semiconductor nanomaterials (ZnO, TiO2 and SnO2) by the electrospinning method and to summarize the effect of processing conditions for voltage, the spacing between collecting board and cone bottom, annealing temperature, annealing atmosphere, the proportion of elements on the the types & concentration of defects and interface state. We will study on the laws of room temperature ferromagnetism in samples induced by interface state and defect. Combined with the first principles, this project will clarify the regulation of the ferromagnetic behavior by the types & concentration of defects and the changes of interface and explore the origin of ferromagnetism in the non-magnetic oxide semiconductor nanomaterials and the mechanism of stable room temperature ferromagnetism. The results will provide theoretical and experimental basis for the realization of its application in spintronics devices.

对d0铁磁性的研究是自旋电子学领域近期研究的热点之一。关于d0铁磁性的作用机制，迄今为止还没有一个统一的解释。本项目拟采用电纺丝方法制备非磁性复合氧化物半导体纳米材料（ZnO、TiO2和SnO2），探究电压、收集板和锥底的间距、退火温度、退火气氛、元素比例等实验条件对所制备样品中缺陷种类及浓度和界面态的影响，分析制备样品中由缺陷和界面态诱导室温铁磁性的相关规律；结合第一性原理计算，阐明缺陷种类及浓度和界面态的变化对非磁性氧化物半导体纳米材料铁磁性行为的调控以及铁磁性作用机制。最终揭示非磁性氧化物半导体纳米材料中的铁磁性来源，从而掌握如何制备具有稳定室温铁磁性的非磁性氧化物半导体纳米材料，为其在自旋电子器件等方面的应用提供理论依据和实验基础。

对于d0铁磁性材料的研究是自旋电子学领域近期研究的热点问题之一。但是关于d0铁磁性的作用机制，到目前为止还没有一个完全统一的解释。本项目中，我们采用简单可行的电纺丝法制备了ZnO/TiO2、ZnO/SnO2和SnO2/TiO2等三种复合氧化物半导体纳米纤维材料，并取得一系列结果。通过改变复合氧化物中的金属比例、退火温度、纺丝距离等条件，制备出了不同尺寸、形貌及结构的复合氧化物半导体纳米纤维材料，并对其形成原因进行了探讨，得出制备条件和样品尺寸、形貌及结构之间的关系。在前一步研究的基础上，我们研究了SnO2/TiO2复合纳米纤维的磁性，发现改变不同比例得到的复合纳米纤维均具有室温铁磁性，当Sn/Ti为5/1时，形成的是SnO2/TiO2复合纳米管且铁磁性是最强的，我们把其磁性的增强归结于界面处缺陷的存在及纳米管比表面积较大等原因。同时还研究了不同Zn/Ti比例下的复合纳米纤维的磁性，所有ZnO/TiO2复合纳米纤维均具有室温铁磁性且磁性随着Zn/Ti的变化而变化，而当Zn/Ti为3/10时ZnO/TiO2复合纳米纤维的磁性是最强的，并且其磁性高于以往研究的结果，我们用界面效应解释了该磁性的增强。本项目所报道的通过调节界面来改变非磁性复合氧化物半导体纳米材料的磁性现象为半导体中磁性的调控提供了一个新研究的方向。