非金属/过渡金属共掺杂的GaN纳米线可控制备及室温铁磁性研究

The GaN-based one dimensional diluted magnetic semiconductor nanowires have shown great potential applications and research values due to theirs excellent physical and chemical properties. We synthesize C/(Fe、Ni) co-doped one-dimensional GaN nanowires by using the carbothermal reduction nitridation, and regulate morphology, structure and magnetic properties of the sample and measure theirs the room temperature ferromagnetism. Study the structural stability, electronic structure and magnetic properties of the C/(Fe、Ni) co-doped one-dimensional GaN nanowires by using the first principles method based on density functional theory. For different doped concentrations and different doped ions, analyze ferromagnetism of the doped systems from the point of theirs microstructures, and establish the law between the doped structure and ferromagnetism. Based on the experimental and theoretical study, summarize the different doped concentrations and different doped ions affecting the ferromagnetism of GaN-based one-dimensional diluted magnetic semiconductor nanowires, offers practical design direction for its doped process， explore the process controllable preparation of high-quality, ferromagnetism of GaN-based diluted magnetic semiconductor nanowires required technical parameters, reveal thiers ferromagnetic origin. The study of the project will provide technical support and theoretical basis for the preparation of high-quality, room ferromagnetism in dilute magnetic semiconductor materials.

GaN基一维稀磁半导体纳米线优异的物化性能，使其在稀磁半导体领域展现出极大的应用潜力和研究价值。本研究拟采用碳热还原氨化法对C/(Fe、Ni)共掺杂的一维GaN纳米线可控制备过程中样品的形貌、结构、磁性进行调控并测试其室温铁磁性。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究C/(Fe、Ni)共掺杂的一维GaN纳米线的结构稳定性、电子结构和磁学性质。针对不同的掺杂浓度和掺杂离子，从微观结构出发分析掺杂系统的铁磁性，建立微观结构与铁磁性间的关系。结合理论和实验的研究结果，总结不同掺杂离子和不同掺杂浓度对GaN基一维稀磁半导体纳米线室温铁磁性的影响，为其掺杂工艺提供实践设计方向；探索出可控制备高质量、室温铁磁性的GaN基稀磁半导体纳米线所需的工艺参数；揭示GaN基一维稀磁半导体纳米线的铁磁性起源。本项目的研究将为高质量、室温铁磁性的稀磁半导体材料制备提供技术支持和理论依据。

GaN基稀磁半导体具有新颖的与电子自旋相关的磁、光、电等特性，是能够真正意义上实现磁、光、电集成的一体化材料。从稀磁半导体材料实用化角度出发，如何通过掺杂引入磁性离子获得稳定的本征铁磁性，并提高材料的居里温度至室温以上，这成为该研究领域的首要问题。本项目结合理论和实验方法对非金属/金属共掺杂GaN纳米材料的磁学性质进行研究，总结出具有高铁磁性的GaN基低维稀磁半导体纳米材料的掺杂方式，并总结材料微观结构和磁学性能的关系。. 本项目研究内容之一为3d过渡金属掺杂GaN单层纳米片，掺杂体系能形成具有优异电子和磁学性质的稀磁半导体。我们基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法对5种不同的过渡金属（Cr，Mn，Fe，Co和Ni）掺杂二维GaN单层纳米片的电子结构和磁学特性进行了研究，分析了掺杂后相关性质的改变，为实验研究和实际应用提供可靠的理论支持和指导。这也为将来的科学研究提供了一个新的途径，即如何诱导和操纵材料的磁性以及探索掺杂体系的磁性起源。采用碳热还原氨化法通过改变初始原料中活性碳以及过渡金属的含量，对非金属/金属共掺杂的一维GaN纳米线结构和形貌进行了调控。通过室温磁性研究，发现通过非金属/过渡金属共掺杂制备的GaN纳米材料饱和磁化强度比单纯过渡金属掺杂的GaN材料的饱和磁化强度有很大程度的提高。对二维异质结GaN/SiC的电子、磁学特性以及对电场的响应进行了系统的研究，在这些结构中发现了准一维的传导性质以及有限非零磁矩，且磁学特性能被外部电场调谐，其性能远优于二维单体GaN和SiC半导体材料。研究结果不仅为构筑基于二维材料的新型异质结材料提供了新思路，而且对于在电子学和自旋电子学的应用具有十分重要的意义。项目执行期间，课题组取得一定的研究成果，在国内外学术期刊上发表论文11篇，其中SCI收录10篇，基本上完成了当初预设的研究目标。项目研究成果揭示了稀磁半导体纳米材料铁磁性起源，为高质量、室温铁磁性的稀磁半导体纳米材料制备提供技术支持和理论依据。