镍掺杂硒化锌纳米颗粒的结构、光学与磁学特性及其自旋电子学应用

为解决宽禁带稀磁半导体(DMS)中室温铁磁性(RTFM)的起源问题，研究人员通过水热法制备了Ni掺杂ZnSe纳米颗粒，系统表征了其结构、光学及磁学性质。研究发现Ni掺杂增强了光吸收并诱导缺陷发射峰，XRD证实立方闪锌矿结构，VSM揭示了本征缺陷介导的RTFM现象。该材料为自旋电子学器件开发提供了新思路。

　　

在自旋电子学器件研发的热潮中，宽禁带稀磁半导体(DMS)因其可调控的室温铁磁性(RTFM)成为研究焦点。然而，关于未掺杂材料中RTFM的起源始终存在争议——究竟是过渡金属掺杂还是本征缺陷起主导作用？这个问题直接关系到材料设计的理论基础。ZnSe作为典型的II-VI族半导体(禁带宽度2.67 eV)，其镍掺杂体系因Ni²⁺与Zn²⁺相似的离子半径(0.69 ? vs 0.74 ?)成为理想研究对象，但此前相关研究多集中于ZnO和ZnS体系。

为阐明这一科学问题，来自Sacred Heart College等机构的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表了创新性成果。他们采用水热法合成纯ZnSe及Ni掺杂ZnSe纳米颗粒，通过多尺度表征技术揭示了材料的结构-性能关系。研究发现不仅证实了缺陷介导的RTFM机制，还发现Ni掺杂可协同调控光学与磁学特性，为开发新型自旋电子学材料提供了实验依据。

研究团队主要运用了X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察形貌，透射电镜(TEM)确定粒径，紫外-可见光谱和荧光光谱检测光学性质，振动样品磁强计(VSM)测量磁学性能。所有样品均以高纯度(99.9%)试剂为原料，通过水热反应制备。

结构表征
XRD图谱显示所有样品均保持立方闪锌矿结构，Ni掺杂未改变晶体对称性但引起晶格收缩。SEM显示球形颗粒的团聚形貌，AFM测得表面粗糙度约15 nm，TEM证实粒径分布20-30 nm且晶格条纹清晰，表明良好的结晶性。

光学特性
光学吸收边位于445 nm，Ni掺杂使吸收增强。荧光光谱出现468 nm近带边发射及590 nm(Zn间隙缺陷)、645 nm(Se空位)的缺陷发射峰，证明Ni掺杂引入了新的缺陷能级。

磁学性能
VSM测试显示纯ZnSe和Ni掺杂样品均表现出室温铁磁性，饱和磁化强度达0.12 emu/g。结合XPS分析，研究者提出本征缺陷(如Zn间隙和Se空位)形成的局域磁矩通过束缚磁极化子机制产生长程铁磁有序，而非传统认为的Ni团簇贡献。

这项研究的重要意义在于首次系统论证了ZnSe基纳米材料中缺陷诱导RTFM的物理机制。通过精确控制Ni掺杂浓度与合成条件，实现了光学吸收增强与铁磁性的协同调控，突破了传统DMS材料对过渡金属掺杂的依赖。研究提出的束缚磁极化子模型为解释d⁰铁磁性提供了新证据，所开发的ZnSe:Ni纳米颗粒在自旋发光二极管、磁光传感器等领域展现出应用潜力。

值得注意的是，Kannappan P等作者在讨论部分特别指出，未来研究需通过正电子湮灭等技术进一步确认缺陷类型。该成果不仅丰富了稀磁半导体的基础理论，其水热合成方法也为规模化制备功能纳米材料提供了技术参考。正如研究者强调的，这种通过缺陷工程调控材料多功能的策略，可能成为设计新一代自旋电子学器件的通用范式。