不同表面修饰对Mn掺杂ZnO的电子结构和磁性能的调控

稀磁半导体材料兼具传统半导体材料的传输性能和磁性材料的自旋调控特性，在未来芯片和信息存储领域具有广泛的应用前景。特别是科学技术对小尺寸的要求，使得纳米相的稀磁半导体材料广为研究。为了实现其工业应用，人们的焦点主要关注于其室温铁磁性的实现和调控。在纳米相的稀磁半导体材料中由于具有复杂的表面结构，对其进行表面修饰可以有效地调控室温铁磁性的存在与否。在表面修饰影响下，材料的局域原子、电子结构往往发生剧烈的变化，然而由于这些结构的局域性，常规的探测手段无法进行精确的描述，使得从微观角度对表面修饰分子、磁性掺杂离子与母体原子之间的相互作用机理一直没有被弄清楚。中国科学院高能物理研究所的一个研究组系统深入地研究了不同种类表面活性剂修饰下的Mn掺杂ZnO的磁性和电子结构，相关的研究成果发表在2012年的《Chemistry of Materials》上。

该研究组通过对Mn掺杂ZnO体系进行不同种类的表面活性剂处理成功调控了体系的宏观磁性由顺磁性向室温铁磁性转变。从微观角度来看，样品中表面Mn主要以3+形式存在于扭曲的四面体晶格位点，在不同的表面修饰下金属Mn-3d电子与阴离子p电子之间存在明显不同的耦合作用，这种杂化强度的变化是影响材料的宏观铁磁性行为的直接因素。

利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站获得的Mn-K边X射线吸收谱，该研究系统揭示了表面活性剂分子与纳米颗粒间的相互作用规律。通过对实验谱进行计算模拟，发现表面活性剂中的原子与母体表面原子有直接的相互作用，表面分子与母体材料之间存在强的电子关联效应及p-d耦合，直接调制了材料的宏观铁磁性行为。该研究从微观结构的角度为制备更好性能的稀磁半导体材料提供重要的实验依据。

这个研究表明表面修饰是一种有效的调控纳米稀磁半导体材料磁性的手段，其中表面分子重构是影响材料磁性的重要因素。在研究过程中，硬X射线与软X射线吸收谱的结合对于揭示体系表面和体相局域结构与材料性能构效关系发挥了重要的作用，该方法在未来表面界面等结构研究中有着不可忽视的潜力。

发表文章：

Linjuan Zhang, Jian-Qiang Wang, Jiong Li, Shuo Zhang*, Zheng Jiang, Jing Zhou, Jie Cheng, Tiandou Hu, Wensheng Yan, Xiangjun Wei, Ziyu Wu*. Regulation of Magnetic Behavior and Electronic Configuration in Mn doped ZnO Nanorods By Surface Modification. Chem. Mater., 24, 1676-1681, 2012.