d0半導體納米材料中磁性來源以及增強的物理機制研究

項目按計劃執(zhí)行。本項目研究的主要目標是采用密度泛函理論的方法，研究在d0 半導體納米材料中(表面、納米線和納米團簇)，陽離子缺陷和包含陽離子的缺陷團簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理來源。主要研究進展包括：（1）原子層厚度過渡金屬氮化物的高溫鐵磁性和半金屬性的研究：通過第一性原理計算，我們發(fā)現(xiàn)實驗上剛剛合成的MoN2單層就是這樣的一種材料，它具有鐵磁性并且居里溫度接近420K，這比其他二維磁性材料的居里溫度都要高很多。所以，研究表明過渡金屬氮化物有望應用于電子自旋電子器件中。（2）d0 半導體納米材料的磁性來源的研究：我們發(fā)現(xiàn)非局域陰離子缺陷軌道能導致磁矩并能形成宏觀磁序。另外通過施加外界壓力，被陰離子空位部分占居的非局域缺陷軌道很好地被限制了，從而導致了自發(fā)自旋有序。（3）低維鐵電材料對石墨烯能隙的影響：我們構建了OH-BNSL/石墨烯的復合結構，計算結果表明通過鐵電襯底我們產生了兩個態(tài)，一個是金屬的Dirac粒子態(tài)，一個是不導通的絕緣態(tài)。相比于傳統(tǒng)的打開能隙機制，我們的研究提供了一個完全的新機制。(4) 半導體光催化劑g-C3N4對太陽能利用率提高的研究：對于雙層g-C3N4而言，它的基本帶隙因為層之間的耦合而增加了。計算得到的光吸收譜則顯示它有更好的可見光吸收率。除此之外，我們計算還表明了雙層g-C3N4的能隙之能通過外加電場而較易地改變，這可以用來控制它的光的吸收。(5) ZnO單層的研究：我們考慮了電子摻雜對結構轉換的影響?？梢钥吹?，隨著電子摻雜的濃度上升，石墨狀結構的穩(wěn)定性明顯變差。在項目執(zhí)行期間，發(fā)表SCI 論文11篇，包括Nano Lett, J. Chem.Phys. Lett, Appl. Phys.Lett, Nanoscale 等，2名在讀研究生。 2100433B

具有室溫磁性的半導體納米材料，在電子器件和信息材料中有著廣闊的應用前景。近年來,實驗研究報道了在一些不包含任何磁性原子的半導體(d0半導體)納米材料中存在室溫磁序，但是其實驗和應用的發(fā)展卻被兩個關鍵問題所阻礙：1)局域磁矩的來源；2）低濃度的局域磁矩如何形成宏觀磁序？本項目擬采用密度泛函理論的方法，研究在d0半導體納米材料中(表面、納米線和納米團簇)，陽離子缺陷和包含陽離子的缺陷團簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理來源。通過對納米材料中局域磁矩間的磁有些相互作用距離進行研究，闡述納米尺度對局域磁矩間耦合能力的影響，揭示實驗觀察到的室溫磁序的可能來源。此外，理論上探索在現(xiàn)有的實驗制備條件下，一些不可避免的外界因素（外界應力）對半導體納米材料中局域磁矩形成能力以及磁相互作用的影響，并總結其一般規(guī)律，預言實驗可能增強磁性的途徑，為進一步的實驗研究提供一些理論依據(jù)和指導。

水體中重金屬污染是當今環(huán)境保護領域研究的主要議題之一。例如，汞是一種具有持久性、易遷移性和高度生物蓄積性且嚴重威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康的全球性污染物，而汞在自然界中累積最嚴重的是在水生物系統(tǒng)。因此，水中汞的監(jiān)測與凈化一直備受關注。 隨著納米技術的進步，納米材料在化學傳感器和吸附材料研究中得到較大應用。功能化的納米材料在環(huán)境保護領域中是一個新興的研究熱點。 本研究鑒于胸腺嘧啶與汞的特殊配位模式，選取1,8-萘酰亞胺為熒光團和Hg2 識別受體，設計合成了一系列用于汞快速監(jiān)測和凈化的新型有機-無機雜化磁性熒光納米傳感器。研究結果表明：已發(fā)展的萘酰亞胺類汞離子磁性熒光納米傳感器具有好的穩(wěn)定性、分散性，能夠快速選擇性地監(jiān)測和凈化水中汞離子，檢測限低、飽和吸附量大、易分離、易可逆再生等優(yōu)點。采取汞的配位促使納米傳感器聚集沉降方法來實現(xiàn)水中汞的徹底凈化，并論證了其凈化機制。其配位促使納米傳感器聚集沉降策略，為水體其他污染物的凈化開辟了新的途徑。未沉積納米傳感器能夠借助于電磁場作用去除而避免帶來新的污染。基于以上策略，我們又開發(fā)了4種用于重金屬銅離子監(jiān)測和凈化的Fe3O4@ZnS核殼結構的磁性熒光納米傳感器。 三年來，在本項目的支持下，已在Chemical Communications, Biosensors and Bioelectronics, Chemical Engineering Journal, Nanotechnology, Journal of Colloid and Interface Science, Optical Materials, Sensors and Actuators B: Chemical等國外學術期刊上發(fā)表SCI論文19篇，申請發(fā)明專利2項且均已獲得授權。