过渡金属掺杂的扶手椅型氮化硼纳米带的磁电子学特性及力-磁耦合效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了多种过渡金属(TM)掺杂扶手椅型氮化硼纳米带(ABNNR-TM)的结构特点、磁电子特性及力-磁耦合效应.计算的结合能及分子动力学模拟表明ABNNRTM的几何结构是较稳定的,同时发现对于不同的TM掺杂,ABNNRs能表现出丰富的磁电子学特性,可以是双极化磁性半导体、一般磁性半导体、无磁半导体或无磁金属.双极化磁性半导体是一种重要的稀磁半导体材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的应用.此外,力-磁偶合效应研究表明:ABNNR-TM的磁电子学特性对应力作用十分敏感,能实现无磁金属、无磁半导体、磁金属、磁半导体、双极化磁性半导体、半金属等之间的相变.特别是呈现的宽带隙半金属对于发展自旋电子器件有重要意义.这些结果表明:可以通过力学方法来调控ABNNR-TM的磁电子学特性.     

硅的放大作用

大块的硅难以产生光的发射 ,但是纳米尺寸的硅却可以产生 ,因为在这样小的尺度内量子效应能起作用 .最近 ,意大利科学家实验演示了纳米尺寸的硅的光增益现象 .他们用一排密集的硅量子小粒放在氧化硅基体中 ,小粒的尺寸为 3ｎｍ(其中密度超过 10 19 ｃｍ3 ) .发现这种物质具有光的受激发射以及光的增益效应 ,而且光的增益可与Ⅲ -Ⅴ族半导体激光物质 (砷化镓 ,磷化铟 ,等等 )的光增益相比 .他们认为这种光增益效应是由在充分多的纳米晶体 -氧化物界面上的许多辐射态引起的 .意大利科学家下一步的计划是使得这种光具有相干性 ,因为这种相干性…     

生物体中的生物磁性纳米粒子及基因调控机制

生物磁性纳米粒子在所有三个生命领域的有机体中存在着,包括在原核生物、古细菌和真核生物中.这些生物体中的生物磁性纳米粒子具有相似的物理化学特性,也随着物种的不同存在着差别.在人体中的正常组织和病变组织中同样存在着生物磁性纳米粒子,这些粒子与其它物种中的生物磁性纳米粒子具有相似性和区别,人体病变组织中生物磁性纳米粒子数量的增多与人类神经退行性病变、癌症和动脉粥样硬化病等疾病有着密切的关系.基于比较基因组学研究方法,科学家认为生物体中生物磁性纳米粒子生物矿化过程有相似的基因调控机制,并给出了预测的基因调控机制模型.本文对以上内容做了简要描述,希望对有关研究提供借鉴.     

三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.     

半氢化石墨烯与单层氮化硼复合体系的电子结构和磁性的调控

采用密度泛函理论第一性原理的PBE-D_2方法,对半氢化石墨烯与单层氮化硼(H-Gra@BN)复合体系的结构稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究.计算了六种可能的堆叠方式,结果表明:H-Gra@BN体系的AB-B构型是最稳定的,为铁磁性半导体,上、下自旋的带隙分别为3.097和1.798 e V;每个物理学原胞具有约1μB的磁矩,该磁矩主要来源于由未氢化的C_2原子的贡献;在z轴方向压应力的作用下,最稳的H-Gra@BN体系的电子性质由磁性半导体转变为半金属,再转变为非磁性金属;预测了一种能方便地通过应力调控电子性质和磁性质的新型材料,有望应用在纳米器件以及智能建筑材料等领域.     

纳米固体——结构像气体的新型材料

 80年代中期联邦德国和美国的一些材料科学家们在实验室里首先制造出了一种新型的固体材料.它是由尺寸仅为几个纳米(10^-9米)的超细微粒压制而成的人工凝聚态固体,通常称之为纳米固体材料或纳米尺度材料.对这种材料的研究发现,它具有全新的“类气态”（gas-like）结构,性能十分奇特.如纳米固体铁的断裂应力比常规铁材料一下子提高了近12倍;纳米固体铜又比一般铜材料的热扩散增强了近一倍.更为奇怪的是,普通状态下呈脆性的陶瓷,在纳米固体材料中却能被弯曲,其塑性形变竟然高达100％.这使得长期为增强陶瓷韧性而费尽心血的科学工作者们大为振奋.纳米固体材料的一系列特性,引起了科学家们的浓厚兴趣,并积极开展了对这种材料的结构特点、制造方法、特性和应用的研究.     

氮化硼纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质

热自旋电子学器件结合了自旋电子学和热电子学各自的优点,对人类可持续发展具有重要作用.本文研究了锯齿形BN纳米带(ZBNRs)共价功能化碳纳米管(SWCNT)的电子结构,发现ZBNRs-B-(6,6)SWCNT为磁性半金属,nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=2—8)为磁性金属;nZBNRs-N-(6,6)SWCNT(n=1—8)为双极化铁磁半导体;4ZBNRs-B-(4,4)SWCNT和4ZBNRs-N-(4,4)SWCNT为磁性半金属,4ZBNRs-B-(m,m)SWCNT(m=5—9)为磁性金属;4ZBNRs-N-(m,m)SWCNT(m=5—9)为双极化铁磁半导体.然后,基于锯齿形BN纳米带共价功能化碳纳米管设计了新型热自旋电子学器件,发现基于ZBNRs-N-(6,6)SWCNT的器件具有热自旋过滤效应;而8ZBNRs-N-(6,6)SWCNT和nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=1,8)都存在自旋相关塞贝克效应.这些发现表明BN纳米带功能化碳纳米管在热自旋电子学器件方面具有潜在的应用.     

氧化镁纳米多晶的微结构和磁性

实验发现,宏观晶体是非磁性的氧化镁时,其多晶样品有弱铁磁性.本文用第一性原理电子结构方法研究了氧化镁表面、纳米颗粒和晶界的磁性.计算结果表明:绝缘的氧化镁表面可以是导电的,并且有与之相关的铁磁性;磁性表面的共同特征是在表面上有氧原子富集,包括(111)表面的纯氧原子层,(114)表面的氧原子链;其他高晶面指数表面也会有氧原子富集区域;氧化镁纳米颗粒的磁性出现在高晶面指数表面以及不同晶面交界的棱及其顶角等有氧原子富集的区域,这种由氧原子富集而形成的磁性有巡游特征.氧化镁Σ7[111]和Σ5[001]晶界的计算结果表明:在没有氧原子富集的情况下,多晶样品中晶界的磁性很弱,而在有氧原子富集的情况下,晶界磁性比较强.因此可以推断多晶样品的磁性主要出现在多晶表面、晶粒包围孔隙、微裂纹界面、晶界和其他晶体缺陷等有氧原子富集的区域.这种残余磁性可以通过热处理等结构优化过程而削弱甚至消除.     

基于钯/碳纳米粒子复合薄膜的双氧水电化学传感性能研究

本文采用团簇束流沉积方法制备了一种复合纳米粒子电化学催化剂,在碳纳米粒子支撑层上沉积钯纳米粒子薄膜,发现其在双氧水电化学传感中具有较高的灵敏度.碳纳米粒子的覆盖率对钯纳米粒子薄膜的双氧水电化学催化活性有明显的影响.当碳纳米粒子覆盖满一个单层的时候,钯/碳纳米粒子复合薄膜对双氧水的检测灵敏度达到了最高值,是没有碳纳米粒子支撑层时的两倍之多.     

基于钯/碳纳米粒子复合薄膜的双氧水电化学传感性能研究（英文）

本文采用团簇束流沉积方法制备了一种复合纳米粒子电化学催化剂,在碳纳米粒子支撑层上沉积钯纳米粒子薄膜,发现其在双氧水电化学传感中具有较高的灵敏度.碳纳米粒子的覆盖率对钯纳米粒子薄膜的双氧水电化学催化活性有明显的影响.当碳纳米粒子覆盖满一个单层的时候,钯/碳纳米粒子复合薄膜对双氧水的检测灵敏度达到了最高值,是没有碳纳米粒子支撑层时的两倍之多.     

稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2的室温铁磁性

采用固相反应法,制备了不同成分的稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2(x=0.02,0.04,0.06).利用x射线衍射和傅里叶变换红外光谱法证明了锰均匀地掺杂到二氧化锡中.在室温下研究了掺锰二氧化锡基稀释半导体的磁性,发现它具有明显的铁磁性,同时对磁性的强弱与锰的含量和烧结温度的关系作了研究.     

双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性

基于密度泛函理论,计算了外来原子X(Al,P,Ga,As,Si)双空位替代掺杂氟化石墨烯的电子特性和磁性.通过对计算结果分析发现,与石墨烯的双空位掺杂类似,氟化石墨烯的双空位掺杂也是一种较为理想的掺杂方式.通过不同原子掺杂,氟化石墨烯的电子性质与磁性均发生很大变化:Al和Ga掺杂使氟化石墨烯由半导体变为金属,并且具有磁性;P和A8掺杂使氟化石墨烯变为自旋半导体;Si掺杂氟化石墨烯仍是半导体,只改变带隙且没有磁性.进一步讨论磁性产生机制获得了掺杂原子浓度与磁性的关系,并且发现不同掺杂情况的磁性是由不同原子的不同轨道电子引起的.双空位掺杂不仅丰富了氟化石墨烯的掺杂方式,其不同电磁特性也使此类掺杂结构在未来的电子器件中具有潜在应用.     

源于非晶合金的透明磁性半导体

磁性半导体兼具磁性和半导体特性,通过操控电子自旋,有望实现接近完全的电子极化,提供一种全新的导电方式和器件概念.目前磁性半导体的研究对象主要为稀磁半导体,采用在非磁性半导体中添加过渡族磁性元素使半导体获得内禀磁性的方法进行制备.但大部分稀磁半导体仅具有低温磁性,成为限制其在室温可操控电子器件中应用的瓶颈.针对这一关键科学问题,本文提出与传统稀磁半导体制备方法相反的合成思路,在磁性非晶合金中引入非金属元素诱发金属-半导体转变,使磁性非晶获得半导体电性,研制出具有新奇磁、光、电耦合特性的非晶态浓磁半导体,揭示其载流子调制磁性的内禀机理,发展出可在室温下工作的p-n结及电控磁器件.     

爆轰合成碳包覆钴、镍磁性纳米颗粒的探索

 介绍了爆轰法合成碳包覆钴、镍纳米磁性颗粒研究的初步结果。以黑索今炸药为主体,加入钴、镍金属硝酸盐与有机碳源材料,在爆炸容器中氮气保护下用导爆管雷管引爆,成功地合成了碳包覆钴、镍纳米磁性颗粒。为了探求爆轰固体产物的形貌特征及性能,分别采用了TEM、XRD、VSM等测试手段对其进行表征。实验结果表明,爆轰产物中主要含有碳包覆纳米钴、纳米镍磁性颗粒,成球体或者椭球体,具有完好的核壳结构形貌。合成的碳包覆钴颗粒分布在30~50 nm之间,碳包覆的镍颗粒分布在25~60 nm之间,外层碳壳层主要由无定形碳和石墨构成。磁性测试表明,所得碳包金属钴、镍颗粒在室温下具有良好的软磁特性。     

半磁半导体薄膜的热壁外延生长成功

半磁半导体是一种将磁性元素掺入半导体后生成的新材料,国际上自80年代开始受到重视.因它将物质的磁性与半导体性质结合起来,使两种最重要的固体属性可以在同一种材料中存在,因而产生出许多一般半导体材料所不具有的新现象和新特性,在未来的电子器件中会有重要应用. 半磁半导体有体材料和薄膜材料两类.在物理研究和应用上,薄膜材料的重要性更为明显.制备薄膜材料的方法,国际上一般采用分子束外延和化学气相淀积技术.国内除了有少数单位制备体材料外,薄膜材料的制备尚属缺门. 复旦大学应用表山物理国家重点实验室用简单的国产设备,建立了一套…     

CoTiSb基体中Ni元素诱导的单自旋通道研究

沿半Heusler结构CoTiSb合金的[001]晶体学方向, 利用Ni元素连续替换一条原子链上的Ti, Sb原子, 在半导体性CoTiSb基体中设计了一系列均匀分布的Ni基单原子链阵列. 采用第一性原理方法, 研究了Ni基单原子链的电子结构和磁性质, 发现Ni-Sb单原子链具有高度自旋极化率和空穴导电特性, Ni-Ti及Ni-Ni单原子链具有100%的自旋极化率, 并且在CoTiSb基体中形成了以这种Ni基单原子链为中心的、尺寸非常小的单自旋纳米柱通道.     

磁性石墨

德国来比锡大学的EsquinaziP教授及其同事们利用质子对石墨样品进行辐射,可使石墨在室温下转变为一种纯碳的、不含金属的、轻型的磁性材料.众所周知,碳元素具有许多值得注意的固体形态:一种是粉末状的石墨,由于它在二维层间只有松散的键约束,因此可用来作为润滑油或铅笔芯;第二种是钻石,由于它在三维空间内都有紧密的约束而成为坚硬的宝石;第三种就是著名的富勒球;其他还有碳纳米管等.所有这些固态碳都具有重要的电性质,但都没有磁性.迄今为止还没有任何一种由纯碳组成的样品具有磁性,当然除了保持温度在绝对零度附近的掺杂的石墨样品.来比…     

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm~2)要低5个数量级,约为10~2A/cm~2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.     

氢化与非氢化石墨烯纳米条带的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了宽度N=8的边缘氢化和非氢化条带的结构和电子性质. 研究表明,扶手形无氢化石墨纳米条带的边缘碳原子是以三重键相互结合,它在边缘的成键强度比氢化时要高,具有更强的化学活性,可作为纳米化学传感器的基础材料. 能带结构计算表明,无论是扶手形条带还是锯齿形条带,它们都是具有带隙的半导体,且无氢化条带的带隙要比氢化的条带带隙宽度大,氢化对于条带的电子性质具有显著修饰作用. 通过锯齿形石墨纳米条带顺磁性、铁磁性和反铁磁性的计算,发现反铁磁的状态最稳定,并且边缘磁性最强,这有利于条带在自旋电子器件中的应用. 关键词： 石墨纳米条带 成键机理 电子结构 自旋分布     

氟化硼碳平面的第一性原理研究

基于第一性原理的理论计算,研究了不同氟化程度的BC3,BC5,BC7的稳定结构和电子特征,发现通过B原子替代C原子,F原子与平面结构的结合能力更强了,氟化的硼碳结构比氢化的硼碳结构更加稳定.研究发现:当只有C原子与F原子成键时,体系变成半导体,而当B原子与F原子成键时,即所有原子都与F原子成键,体系变成导体.通过不同程度的氟化,BC3发生半导体-金属的转变,BC5和BC7发生金属-半导体-金属的转变.理论分析表明,B原子的pz轨道对电学性质变化有较大影响.由于其丰富的电学特性,此类氟化硼碳平面在纳米电子器件领域中具有潜在应用,并且该结果对实验合成也有一定的指导意义.