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“ 上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报. 项目名称： 纳米氧化锌材料的磁性离子掺杂及自组装 项目负责人：门传玲 学院：动力学院. 一、个人情况简介. 二、项目简介. 项目研究的意义
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“上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报“上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金”项目汇报 项目名称：纳米氧化锌材料的磁性离子掺杂及自组装 项目负责人：门传玲 学院：动力学院
二、项目简介 • 项目研究的意义 电子不仅具有电荷自由度，也具有自旋自由度。尽管人类在上个世纪二十年代就发现电子具有自旋，但传统的半导体电子器件忽略电子的自旋自由度，其中的载流子输运过程只是利用它们的荷电特性而由电场来控制，其中自旋状态不在考虑之中。如何将电子自旋自由度和半导体微电子工艺相结合，做成可供信息存储和数据传输的量子器件是最近几年物理学界和半导体界才出现的研究热点。如果能够将电子的这两个自由度在单一的材料中集成地控制，将得到一类新器件——自旋电子器件。
二、项目简介 • 项目研究的意义 由稀磁半导体（diluted magnetic semiconductor，DMS）制备的自旋电子器件由于能同时利用电子的电荷和自旋两种特性，可能给信息技术领域带来革命性的影响，并在存储器、探测器、传感器和光发射器件等中有着广阔的应用前景。相比传统的电子器件，自旋电子器件具有诸多优点，如非易失性、数据处理速度更快、能耗更低、集成密度更高等。 在自旋电子学中，自旋注入是实现半导体材料自旋电子器件的首要问题。制备室温铁磁半导体材料, 是解决自旋注入问题的有效途径。目前，对于室温铁磁半导体，过渡金属掺杂的ZnO 基稀磁半导体是主要研究方向。
二、项目简介 • 项目研究的内容 目前本课题在学校的大力资助下，同期开展了以下方面的相关研究工作： • 已经采用溶胶－凝胶实现Mn离子掺杂的ZnO薄膜的可控有序生长及其自组装。 • 已经通过实验研究了Mn离子掺杂的ZnO稀磁半导体纳米晶薄膜具有光催化性能。还将深入研究Mn掺杂ZnO薄膜的光催化性能，并了解相关机理。 • 纳米氧化锰做为超级电容器电极材料的制备和电容特性研究 • 氮化铝薄膜材料的制备与性能研究
二、项目简介 • 项目方案 采用理论与实验相结合的方法进行。 • 以锌、锰的金属盐和柠檬酸作为前驱物，采用sol-gel法制备纳米氧化锰、纳米氧化锌，以及锰掺杂的氧化锌纳米材料； • 控制反应前驱体的浓度、温度，防止盐析，得到溶胶，通过适当的热处理温度和时间得到稳定的凝胶和粉末纳米样品； • 以石英玻璃为衬底，采用旋涂法制备薄膜； • 通过SEM、TEM、XRD、BET等手段对材料进行表征， • 采用三电极体系，通过循环伏安和恒流充放电实验对氧化锰纳米材料电容特性进行研究。 • 通过甲基橙光催化降解反应，利用紫外－可见吸收光谱研究锰掺杂的氧化锌薄膜的光催化性能
二、项目简介 • 预期达到目标 • 采用溶胶－凝胶法实验纳米氧化锌材料的大面积有序自组装生长和磁性锰离子的有效掺杂， • 了解材料的生长机制、掌握关键技术、研究其性能， • 为得到纳米材料开辟新的应用领域，如纳米氧化锰作为超级电容器的电极材料研究；锰掺杂的纳米氧化锌作为废水处理的光催化剂研究 • 在此基础上发表研究论文3～4篇。
三、项目完成情况 • 分析超过或未达到预定目标的原因 已经完成课题全部任务的60％以上。 其中氧化锌掺杂方面工作难度较大，是当今研究热点和难点，更是本人研究重心；氧化锰作为超级电容器材料的研究工作由于可以跟所在研究团队的研究方向结合，因此在王树林老师的大力支持下，花了将近一个学期搭建了电化学工作平台，顺利开展了这方面的研究工作；氮化铝薄膜方面的研究工作由于有博士期间的基础，开展起来轻车熟路。
三、项目完成情况 • 资助项目经费卡的使用情况 优青加上博士启动费总共6万，已经花了38005.4元，其中 ⑴烘箱、电子天平、酸度计、真空泵、进口涂胶机，合计20890元，占55％ ⑵台式计算机、打印机、硬盘，合计9190元，占24％ ⑶试剂、玻璃实验器皿、铂片、样品测试费等，约13％ ⑷会务费、版面费、书费、复印费等，约8％
三、项目完成情况 • 在此期间国内外同类研究工作取得的进展，以及今后研究工作的设想 自Dietl等人用Zener模型预言能在ZnO中实现室温铁磁性以来，由3d过渡金属（Co、Fe、Mn、Ni、V）掺杂的ZnO基稀磁半导体就被视为制备紫外光发射器件、激光装置和其它利用其磁光效应的器件的首选材料，掀起了ZnO基稀磁半导体的研究热潮。 由于在Mn 掺杂ZnO 薄膜中可以注入数量很大的自旋电子和载流子，这对制作自旋器件十分有利。此外，掺杂Mn的ZnO材料还被认为是短波磁光器件的理想材料。从理论上讲，掺杂Mn的ZnO材料可具有高于室温的居里温度。研究证实掺杂Mn 的ZnO 存在sp —d 电子的磁交换作用,这些材料存在铁磁性。所以Mn 掺杂ZnO 稀磁半导体吸引了许多研究者的关注。
三、项目完成情况 • 在此期间国内外同类研究工作取得的进展，以及今后研究工作的设想 目前通过液相沉淀法、化学气相沉积法、磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延和固相反应法等，得到了掺杂Mn的ZnO稀磁半导体材料。Sarma等首次利用溶胶－凝胶法合成了各种尺寸的Zn1－xMnxO纳米粒子。Kim等以醋酸锌和醋酸锰为反应物，乙酰丙酮为络合剂，通过溶胶－凝胶法在硅衬底上得到了Zn1－xMnxO薄膜。 国内的学者利用溶胶－凝胶法大多合成Fe掺杂的ZnO稀磁半导体材料，例如浙江大学严密等人利用抗坏血酸为还原剂的改良溶胶－凝胶法，得到了Zn1－xFexO粉末；南京大学修向前等人用醋酸锌和氯化亚铁为前驱物，通过甩胶在硅衬底上得到了Fe掺杂ZnO薄膜； 只有湖南湘潭大学的王金斌等利用超声波辅助溶胶－凝胶法制备了Mn掺杂的ZnO稀磁半导体纳米晶粉体。
三、项目完成情况 • 在此期间国内外同类研究工作取得的进展，以及今后研究工作的设想 另一方面，ZnO 作为重要的半导体光催化剂有较高的催化活性，其应用研究已引起人们的重视，并可能成为TiO 2的替代物，因为这两种物质具有相同的光催化降解机理。据文献报道，ZnO 比TiO 2 光催化降解效率更高，如光催化降解纸浆漂白废水、2- 苯基苯酚及苯酚等。贵金属离子的掺杂可能使纳米ZnO 产生晶格缺陷和杂质能级, 从而改善光量子效率、提高氧化还原能力、扩大光谱吸收范围。但是关于过渡金属掺杂的ZnO稀磁半导体材料的光催化性能的研究报道很少。最近，在研究中我们发现过渡金属Mn掺杂后的ZnO稀磁半导体纳米晶薄膜光催化性能有显著提高，相关机理仍不清楚。
三、项目完成情况 • 在此期间国内外同类研究工作取得的进展，以及今后研究工作的设想 本课题已经采用溶胶－凝胶实现Mn离子掺杂的ZnO薄膜的可控有序生长及其自组装。鉴于我们已经通过实验证实了Mn离子掺杂的ZnO稀磁半导体纳米晶薄膜具有光催化性能，且由于Mn的掺杂，ZnO的光催化性能有显著提高，本课题还将深入研究Mn掺杂ZnO薄膜的光催化性能，并了解相关机理。我们殷切希望能获得校方的后续支持，以期获得进一步的成果；同时，我们欢迎各位专家指导我们的工作或共同合作研究。
四、研究成果简介 • 成果主要内容、水平、科学意义和应用价值 • 已经实现Mn离子掺杂的ZnO薄膜的有序可控自组装生长。可以实现相关技术的国产化。 • 已经证实了Mn离子掺杂的ZnO稀磁半导体纳米晶薄膜具有光催化性能。这部分工作目前几乎没有相关报道，处于国内外研究前沿。研究成果正在撰写中，期望能被SCI收录。 • 纳米氧化锰做为超级电容器电极材料的制备和电容特性研究，已经发表EI收录论文一篇，还有一篇正准备写。在超级电容器领域可以得到应用，提高超级电容器的比电容和循环寿命 • 氮化铝薄膜材料的制备与性能研究，已经发表SCI收录论文1篇；EI一篇
六、经验与收获 • 要适应学校的教学科研生活，尤其作为女教师，教学，科研，家庭一样都不能少，一样都需要付出。怎么协调这三者的关系时极其重要的。处理的好，三者可以互相促进，处理的不好，三者将互相牵制。 • 申请课题（特别是这次申请自然科学基金），能极大地督促自己看新的文献，总结资料，学会在别人的基础上进一步发展。
七、自我评价 • 善于沟通和合作，能及时融入所在研究团队，开展工作 • 脑子还算灵活，为人豁达乐观 • 比较踏实认真，偶尔粗心，懒散 • 总体自我评价：良。
