d0半導(dǎo)體納米材料中磁性來(lái)源以及增強(qiáng)的物理機(jī)制研究

項(xiàng)目按計(jì)劃執(zhí)行。本項(xiàng)目研究的主要目標(biāo)是采用密度泛函理論的方法，研究在d0 半導(dǎo)體納米材料中(表面、納米線和納米團(tuán)簇)，陽(yáng)離子缺陷和包含陽(yáng)離子的缺陷團(tuán)簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理來(lái)源。主要研究進(jìn)展包括：（1）原子層厚度過(guò)渡金屬氮化物的高溫鐵磁性和半金屬性的研究：通過(guò)第一性原理計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(guò)渡金屬氮化物有望應(yīng)用于電子自旋電子器件中。（2）d0 半導(dǎo)體納米材料的磁性來(lái)源的研究：我們發(fā)現(xiàn)非局域陰離子缺陷軌道能導(dǎo)致磁矩并能形成宏觀磁序。另外通過(guò)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(dǎo)致了自發(fā)自旋有序。（3）低維鐵電材料對(duì)石墨烯能隙的影響：我們構(gòu)建了OH-BNSL/石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)鐵電襯底我們產(chǎn)生了兩個(gè)態(tài)，一個(gè)是金屬的Dirac粒子態(tài)，一個(gè)是不導(dǎo)通的絕緣態(tài)。相比于傳統(tǒng)的打開(kāi)能隙機(jī)制，我們的研究提供了一個(gè)完全的新機(jī)制。(4) 半導(dǎo)體光催化劑g-C3N4對(duì)太陽(yáng)能利用率提高的研究：對(duì)于雙層g-C3N4而言，它的基本帶隙因?yàn)閷又g的耦合而增加了。計(jì)算得到的光吸收譜則顯示它有更好的可見(jiàn)光吸收率。除此之外，我們計(jì)算還表明了雙層g-C3N4的能隙之能通過(guò)外加電場(chǎng)而較易地改變，這可以用來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的影響。可以看到，隨著電子摻雜的濃度上升，石墨狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯變差。在項(xiàng)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(dǎo)體納米材料，在電子器件和信息材料中有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái),實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道了在一些不包含任何磁性原子的半導(dǎo)體(d0半導(dǎo)體)納米材料中存在室溫磁序，但是其實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的發(fā)展卻被兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題所阻礙：1)局域磁矩的來(lái)源；2）低濃度的局域磁矩如何形成宏觀磁序？本項(xiàng)目擬采用密度泛函理論的方法，研究在d0半導(dǎo)體納米材料中(表面、納米線和納米團(tuán)簇)，陽(yáng)離子缺陷和包含陽(yáng)離子的缺陷團(tuán)簇的形成能力，揭示形成局域磁矩的物理來(lái)源。通過(guò)對(duì)納米材料中局域磁矩間的磁有些相互作用距離進(jìn)行研究，闡述納米尺度對(duì)局域磁矩間耦合能力的影響，揭示實(shí)驗(yàn)觀察到的室溫磁序的可能來(lái)源。此外，理論上探索在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)制備條件下，一些不可避免的外界因素（外界應(yīng)力）對(duì)半導(dǎo)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(jié)其一般規(guī)律，預(yù)言實(shí)驗(yàn)可能增強(qiáng)磁性的途徑，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供一些理論依據(jù)和指導(dǎo)。

水體中重金屬污染是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(yán)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(yán)重的是在水生物系統(tǒng)。因此，水中汞的監(jiān)測(cè)與凈化一直備受關(guān)注。 隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，納米材料在化學(xué)傳感器和吸附材料研究中得到較大應(yīng)用。功能化的納米材料在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中是一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。 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(tuán)和Hg2 識(shí)別受體，設(shè)計(jì)合成了一系列用于汞快速監(jiān)測(cè)和凈化的新型有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化磁性熒光納米傳感器。研究結(jié)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(cè)和凈化水中汞離子，檢測(cè)限低、飽和吸附量大、易分離、易可逆再生等優(yōu)點(diǎn)。采取汞的配位促使納米傳感器聚集沉降方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水中汞的徹底凈化，并論證了其凈化機(jī)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(kāi)辟了新的途徑。未沉積納米傳感器能夠借助于電磁場(chǎng)作用去除而避免帶來(lái)新的污染?；谝陨喜呗裕覀冇珠_(kāi)發(fā)了4種用于重金屬銅離子監(jiān)測(cè)和凈化的Fe3O4@ZnS核殼結(jié)構(gòu)的磁性熒光納米傳感器。 三年來(lái)，在本項(xiàng)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(guó)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文19篇，申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)且均已獲得授權(quán)。