CeO2纳米棒与纳米片的室温铁磁性：形貌与缺陷调控的机制探索

研究人员针对CeO2纳米材料在自旋电子学（spintronics）中的应用瓶颈，通过调控形貌（纳米棒/NR、纳米片/NS、多面体/poly）和缺陷浓度，揭示了氧空位与Ce3+对室温铁磁性（RTFM）的协同作用。结合XRD、TEM和XPS技术，发现高应变纳米棒因形成束缚磁极化子（BMPs）展现最强磁性，为无掺杂CeO2功能材料设计提供新思路。

　　

在自旋电子学和催化材料领域，稀磁半导体氧化物因其独特的室温铁磁性（RTFM）特性备受关注。然而，传统掺杂策略虽能调控性能，却可能引入杂质相并增加制备复杂度。CeO₂作为一种典型的d⁰（无d电子）绝缘稀土氧化物，其本征RTFM机制长期存在争议——究竟是氧空位主导，还是Ce³⁺与晶格应变协同作用？更关键的是，不同形貌的CeO₂纳米结构如何通过暴露晶面差异影响缺陷分布与磁性？这些问题成为制约其应用的核心科学难题。

针对上述挑战，来自巴西的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表研究，通过水热法精准制备了CeO₂纳米棒（NR）、纳米片（NS）和多面体（poly），系统比较了形貌-缺陷-磁性的构效关系。研究采用X射线衍射（XRD）分析晶格畸变、透射电镜（TEM）表征形貌、X射线光电子能谱（XPS）测定Ce³⁺/Ce⁴⁺比值，并结合磁化曲线与电子顺磁共振（EPR）解析磁性起源。

研究结果

1. 形貌与晶格应变
   XRD显示纳米棒（NR）具有最高拉伸微应变（0.0048）和位错密度（1.6×10¹⁵ m^-2），归因于其暴露的（100）和（110）晶面高活性。TEM证实NR尺寸为6 nm（宽）×39 nm（长），而NS和poly直径分别为14 nm和27 nm。

2. 缺陷化学与电子结构
   XPS揭示NR的Ce³⁺浓度（32.1%）和氧空位密度显著高于NS（24.3%）和poly（18.7%），这与（110）晶面低氧空位形成能的理论预测一致。

3. 磁性机制
   NR的饱和磁化强度（0.0025 emu/g）是poly的5倍，EPR谱证实其存在小极化子与束缚磁极化子（BMPs）。研究提出高应变促进氧空位聚集，通过Ce³⁺-Vo-Ce³⁺（Vo：氧空位）耦合形成BMPs网络，最终实现长程铁磁有序。

结论与意义
该研究首次建立CeO₂形貌-缺陷-磁性的定量关联，证明无需掺杂即可通过形貌工程调控RTFM。纳米棒因高活性晶面暴露和应变效应，成为优化自旋输运与催化性能的理想候选。成果为设计新型CeO₂基功能材料（如自旋过滤器、磁性催化剂）提供了理论框架与技术路径。作者Aila O. Santos等特别指出，未来可通过精确控制（110）晶面占比进一步放大BMPs效应，推动其在量子计算器件中的应用。