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Ultrathin ZnS Single Crystal Nanowires: Controlled Synthesis and Room-Temperature Ferromagnetism Properties
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2011-10-05 , DOI: 10.1021/ja2049258 Guoxing Zhu 1 , Shuguang Zhang 2 , Zheng Xu , Jing Ma , Xiaoping Shen 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2011-10-05 , DOI: 10.1021/ja2049258 Guoxing Zhu 1 , Shuguang Zhang 2 , Zheng Xu , Jing Ma , Xiaoping Shen 1
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Highly uniform single crystal ultrathin ZnS nanowires (NWs) with 2 nm diameter and up to 10 μm length were fabricated using a catalyst-free colloidal chemistry strategy. The nanowires crystallized in hexagonal phase structure with preferential growth along the direction of the (001) basal plane. The strong polarity of the (001) plane composed of Zn cations or S anions drives the oriented attachment of ZnS nanocrystals (NCs) along this direction via electrostatic (or dipole) interaction. The ultrathin ZnS nanowires show intrinsic ferromagnetism at room temperature and other unusual properties related to its unique nature, such as large anisotropic lattice expansion, large blue-shift of UV-vis absorption band of the excition, and photoluminescence spectrum of the exciton band edge. First-principles DFT computation results show that Zn vacancies can induce intrinsic ferromagnetism in these undoped ZnS NWs. The main source of the magnetic moment arises from the unpaired 3p electrons at S sites surrounding the Zn vacancies carrying the magnetic moment ranging from 0.26 to 0.66 μ(B). Calculated results indicate that the magnetic moment of the ultrathin ZnS NWs can be increased by increasing the Zn vacancy concentration without significant energy cost. The calculated magnetization value (1.96 or 0.40 emu/g for Zn vacancies on the surface of NWs or inside, respectively) by Zn(53)S(54) supercell model is larger than our experimental value (0.12 emu/g at 1.8 K and 0.05 emu/g at 300 K), but the ferromagnetic result is qualitatively in agreement.
中文翻译：
超薄 ZnS 单晶纳米线：可控合成和室温铁磁性
使用无催化剂胶体化学策略制造了高度均匀的单晶超薄 ZnS 纳米线 (NW)，直径为 2 nm，长度可达 10 μm。纳米线以六方相结构结晶，沿（001）基面方向优先生长。由 Zn 阳离子或 S 阴离子组成的 (001) 平面的强极性驱动 ZnS 纳米晶体 (NC) 通过静电（或偶极子）相互作用沿该方向定向附着。超薄 ZnS 纳米线在室温下显示出固有的铁磁性，以及与其独特性质相关的其他不寻常性质，例如大的各向异性晶格膨胀、激发的 UV-vis 吸收带的大蓝移和激子带边缘的光致发光光谱。第一性原理 DFT 计算结果表明，Zn 空位可以在这些未掺杂的 ZnS NW 中诱导本征铁磁性。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算出的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。
更新日期：2011-10-05
中文翻译：
超薄 ZnS 单晶纳米线：可控合成和室温铁磁性
使用无催化剂胶体化学策略制造了高度均匀的单晶超薄 ZnS 纳米线 (NW)，直径为 2 nm，长度可达 10 μm。纳米线以六方相结构结晶，沿（001）基面方向优先生长。由 Zn 阳离子或 S 阴离子组成的 (001) 平面的强极性驱动 ZnS 纳米晶体 (NC) 通过静电（或偶极子）相互作用沿该方向定向附着。超薄 ZnS 纳米线在室温下显示出固有的铁磁性，以及与其独特性质相关的其他不寻常性质，例如大的各向异性晶格膨胀、激发的 UV-vis 吸收带的大蓝移和激子带边缘的光致发光光谱。第一性原理 DFT 计算结果表明，Zn 空位可以在这些未掺杂的 ZnS NW 中诱导本征铁磁性。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算出的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。磁矩的主要来源来自围绕 Zn 空位的 S 位点处的未配对 3p 电子，其磁矩范围为 0.26 至 0.66 μ(B)。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。计算结果表明，通过增加 Zn 空位浓度可以增加超薄 ZnS NW 的磁矩，而不会产生显着的能源成本。Zn(53)S(54) 超胞模型计算的磁化值（NW 表面或内部的 Zn 空位分别为 1.96 或 0.40 emu/g）大于我们的实验值（1.8 K 和0.05 emu/g at 300 K)，但铁磁结果在质量上是一致的。
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