Nd3?掺杂的Dy?O?纳米棒在室温下表现出稀磁性质，适用于自旋电子学和光催化应用

通过水热法成功制备了Nd3+掺杂的Dy?O?纳米棒（x=0-0.20），证实掺杂引起晶格膨胀和氧空位形成，XPS与拉曼分析显示氧空位浓度随掺杂量增加。磁学研究表明样品在低温下呈现混合PM/AFM和FM相，束缚磁极子模型揭示Dy3+与V-O中心及Nd3+间的协同作用机制稳定了FM有序。紫外光催化实验表明x=0.20样品对罗丹明B的降解效率显著提升，验证了该材料在自旋电子器件和光催化应用中的潜力。

　　

Sandeep Kumar Chauhan | Sandeep Kumar Singh Patel

印度北方邦瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学妇女高等教育学院化学系，邮编221005

摘要

在这项研究中，我们采用水热法合成了Nd³⁺掺杂的Dy₂O₃（Dy_2–xNd_xO₃，其中x最高可达0.20）稀磁半导体纳米棒。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱进行了全面表征，证实Nd³⁺成功掺入了立方Dy₂O₃晶格中。这种掺杂促进了氧空位的形成，使得光学带隙从4.87 eV缩小到4.63 eV。在Dy_2–xNd_xO₃样品中观察到的未饱和磁滞回线（M–H）表明了顺磁（PM）/反铁磁（AFM）和铁磁（FM）行为之间的有趣相互作用。当温度低于约30 K时，χ^?1与T的关系曲线偏离了居里-外斯定律预测的线性行为，这表明存在PM/AFM和FM的混合相。为了解释背后的磁相互作用，我们应用了束缚磁极化子（BMP）模型。该分析强烈表明，铁磁有序是通过Dy³⁺–V_O–Dy³⁺、Dy³⁺–V_O–Nd³⁺和Nd³⁺–V_O–Nd³⁺中心的形成来介导和稳定的。在紫外光照射下，Dy_2–xNd_xO₃（x = 0.20）纳米棒表现出更强的光催化活性。这些结果突显了Nd³⁺掺杂Dy₂O₃作为稀磁半导体在自旋电子学和光催化领域的潜力。

引言

自旋电子学侧重于利用电子自旋和电荷进行信息处理。1, 2 主要策略是通过用过渡金属掺杂金属氧化物（如ZnO或TiO₂）来制备稀磁半导体（DMS）。3, 4, 5 然而，这些材料面临重大挑战，特别是由于材料缺陷和不稳定性的存在，难以实现室温下的铁磁性（RTFM）。因此，研究方向转向了掺杂其他RE³⁺离子的稀土氧化物（RE₂O₃）。6, 7 这些材料被认为是更好的选择，因为RE³⁺离子的磁矩远大于过渡金属，为稳定的磁有序提供了更有希望的途径。

在RE₂O₃氧化物中，Dy₂O₃为研究RE³⁺离子掺杂提供了极好的机会。这主要是因为Dy³⁺与某些RE³⁺离子的离子半径差异很小，以及Dy₂O₃与大多数RE氧化物的晶体结构相似。尽管对RE³⁺掺杂Dy₂O₃的磁性质研究有限，但先前的研究已经显示出有希望的结果。例如，Rajendran和Mekala观察到Ce掺杂的Dy₂O₃纳米颗粒（NPs）在室温及以上表现出铁磁（FM）有序。8 这些研究并未解释样品中观察到的FM有序的原因。此外，Trepka和Tao报告了Dy₂O₃ NPs中的RTFM有序，归因于尺寸效应。9 这些发现强调了继续和扩展对RE³⁺掺杂Dy₂O₃研究的重要性，以推动DMS领域的发展。

最近，Dy₂O₃因其光催化活性而受到广泛关注，尤其是在降解环境中的染料污染物方面。科学家通常通过观察其在水中分解有机染料（如罗丹明B（RhB）和MB）的能力来评估Dy₂O₃的光催化性能。10, 11 而Dy₂O₃常被整合到复合或异质结催化剂中，如TiO₂/Dy₂O₃、还原氧化石墨烯（RGO）/Dy₂O₃和g-C₃N₄/Dy₂O₃。11, 12, 13 关于通过掺杂增强其光催化活性的研究还很少。例如，Balaji等人发现Zn掺杂的Dy₂O₃在150分钟内显著提高了MB的降解效率，达到94.56%。14 同样，Alonizan等人探索了Mn掺杂的Dy₂O₃纳米结构的光催化性能，发现6小时内MB降解率达到了92%。15

据我们所知，之前很少有针对Nd³⁺掺杂Dy₂O₃纳米棒的结构、磁性和光催化性质的全面研究。我们的研究通过合成和表征这些材料填补了这一空白。我们特意关注了一维（1D）纳米结构，因为由于其高长宽比、机械柔韧性和量子限制效应带来的独特电子性质，这些形态在自旋电子学应用中越来越受到青睐。1D纳米结构的扩展长宽比增强了载流子的迁移路径，有效减少了电子-空穴（e^-–h⁺）复合，从而提高了光催化性能。这项工作的新颖之处在于使用了重稀土元素Nd³⁺作为Dy₂O₃的掺杂剂，这一选择是基于其较大的离子半径和较高的溶解度。经过水热合成和随后的热处理，我们成功制备了最大Nd³⁺含量为x = 0.20的单相Dy_2–xNd_xO₃样品，从而首次深入研究了这种特定掺杂材料的结构、磁性和光催化行为。

章节片段

纯Dy₂O₃和Nd³⁺掺杂Dy₂O₃纳米棒（NRs）的合成

我们使用水热法制备了Nd³⁺掺杂的Dy₂O₃（Dy_2–xNd_xO₃，x = 0, 0.04, 0.08, 0.12和0.20）纳米棒。起始材料包括NH₄OH、硝酸（HNO₃）溶液、Nd(NO₃)₃·6H₂O和Dy₂O₃粉末。首先将化学计量的Nd(NO₃)₃·6H₂O和Dy₂O₃粉末溶解在稀HNO₃溶液中。然后，在持续剧烈搅拌的情况下逐渐加入25%的NH₄OH溶液。这一步骤需要严格控制，以保持胶体状态。

晶体结构分析

图1(a)展示了在空气中700°C下煅烧的Dy_2–xNd_xO₃纳米棒（0 ≤ x ≤ 0.20）的典型XRD图案，显示出明显的宽衍射峰，证实了它们的晶体性质。纯Dy₂O₃和Nd³⁺掺杂Dy₂O₃样品中观察到的所有反射都与立方bixbyite相（空间群$$）一致，如JCPDS卡片No. 86-1327所确定。一个显著的观察结果是，四种主要布拉格反射向较低的2θ角度移动。

结论

水热合成的Dy_2–xNd_xO₃纳米棒（x = 0?0.20）呈现出立方$$结构，其中Nd³⁺的掺入系统性地扩大了晶格并抑制了晶粒生长。W-H方法的分析显示，从纯Dy₂O₃的压缩应变转变为掺杂样品的拉伸应变，且随着掺杂水平的增加，应变幅度也随之增大。XPS分析和F_g拉曼模式的红移证实，随着Nd³⁺掺杂水平的增加，浓度也随之提高。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢