有机自旋阀及其磁电阻效应

随着巨磁电阻效应(GMR)的发现, 自旋电子学迅速兴起并成为一门新的学科。自旋电子学以电子的自旋属性为信息载体, 有望实现集逻辑、存储和通信于一体的多功能、低功耗器件, 为下一代电子学开辟新的路径。有机半导体具有低自旋轨道耦合、弱超精细相互作用和长自旋弛豫时间等特点, 因而受到了极大关注。有机自旋阀(OSVs)是研究有机材料中自旋注入和传输的原型器件。本文综述了有机自旋阀的发展历程, 总结了有机半导体的自旋弛豫机制, 详细分析了有机自旋阀中存在的关键科学问题, 如室温自旋传输的实现策略和磁电阻符号问题, 介绍了自旋有机发光二极管和自旋光伏器件等新型自旋器件, 最后对有机自旋电子学未来发展进行了展望。     

关于自旋偶合与自旋分裂问题

如何正确理解自旋分裂起因于自旋偶合,怎样解释自旋偶合传递机制,目前说法甚多,观点并非一致。诚然,用核矩来解释谱线分裂,这本身就较粗略,在量子力学上也不严格。但我们认为在现行的解释方式中,最好前后应该一致,力争无矛盾。基于这一点,本文拟就几个主要文献所论述的观点进行对比分析,并     

自旋催化剂-量子触发化学反应

当初始态和过渡态之间存在能量差时,通常会考虑用催化的方法来增加反应速率,即经由能量更低过渡态的反应路径,或增加反应物初始态能量,如改变溶剂或在特殊表面吸附分子。然而,对于某些类型的反应,如H2和O2反应生成水, NO的氧化等,仅仅采用这些方法还不够,因为反应物和产物具有不同的自旋态,而自旋守恒定律一般会禁止该过程的发生。即使克服了能垒,该体系也不能转化成稳定的产物,且不改变其电子自旋多重态。但在特殊的非热力学条件下,该类反应仍可发生。这通常指自旋不守恒的过程。改变体系电子自旋最直接的方法是与原子核自旋有作用的电子自旋翻转。它可由自旋-轨道耦合来实现,因此,其实现的几率取决于元素的原子数。从3d金属开始,发生这种情况的可能性甚至更大。这是由于与d轨道耦合的效率更高所致,所以采用自旋交叉就能方便地解释自旋禁止反应发生的原因。然而,轻原子发生自旋翻转的可能性很低,因此,当面对无金属化学时,我们应该考虑自旋禁止反应发生的第二个方法—自旋催化。通过帮助克服自旋禁止的物质以促进化学反应,或通过顺磁催化剂诱导自旋解耦以降低活化能垒,这类现象就可定义为自旋催化。简而言之,为了得到想要的和热力学更有利的自旋态,一个反应粒子可以与自旋催化剂交换磁矩;该自旋催化剂需有拟自旋-简并基态或低激发态。因此,体系整个的自旋仍守恒,但可发生反应。值得强调的是,自旋“催化剂”指的是分子状态和固体状态,通常后者应用于工业中则方便得多。自旋催化是作为自旋化学的范例来研究的,或在外磁场中化学诱导动态核极化和反应,主要是指采用EPR光谱研究以液相为主的过程。本文简略介绍了自旋催化的理论。实际上,自旋催化与常规催化之间并不相互抵触—相同的材料既可作为自旋催化剂,也可用作常规催化剂,都起着降低反应能垒和提供自旋交换的自由基中心的作用。另外,许多现代材料包含着常规催化剂和自旋催化剂的特性。有些发生在多核磁性金属中心上的过程可能本身就包含着常规催化(活化底物)、自旋交叉(与d金属相互作用)和自旋催化(金属-氧簇合物中低能的铁磁-反铁磁转化)效应。气相自旋催化在实际应用中产生的主要问题是在稀释的体系中三粒子碰撞几率低,常规催化在这方面则有很多优势。我们首先列出固体成为自旋催化剂的条件：(1)活性中心中至少2个自旋态的能量差要小于反应温度下热运动的能量,这样无需额外的能量活化催化剂;(2)较大的比表面积以提供更多的自旋中心用于相互作用;(3)最好能够自旋导电,在此情况下反应无需三粒子碰撞即可发生。这是因为自由基可通过催化剂的电子系统交换自旋,使得自旋-自旋相互作用的几率迅速增加,从而有利于自旋催化反应的进行。另外,如果固体或载体具有自旋导电性,则无需外加电场或磁场,即有可能遥控催化中心的电荷和自旋态,从而避免使用外电场或磁场。实际上,许多反应过程本身就包含着自旋催化,它还可使反应过程的许多不足变成优势,如对于不需要的链式自由基反应;通过引入自旋捕获剂使得自旋禁止反应成为有用的自旋催化;磁性粒子的浓度以及外加磁场和电场均可导致自旋催化/禁止反应。由于均相自旋催化的研究较早,在此不再赘述。本文详细介绍了多相体系中的自旋催化的应用,如燃烧、温和氧化、环化、开环、非极性小分子的活化和不稳定自由基的耦合等。可能用作自旋催化剂的材料有：含有不同顺磁性的金属离子的磁性氧化物或多核磁性簇合物;嫁接在一些载体上的多核络合物或过渡金属(低温催化);带有非整数氧化价态的导电金属;各种具有半金属性和导电性的碳材料。研究自旋催化反应的一个突出问题就是这些过程大部分是自由基式的,趋于非线性区域,因而很难预测,也没有一个便利的工具用以描述,甚至预测自旋催化反应,但也许这些研究的特点就是不可预测性。自旋催化除了可调变反应的进行,我们还可从中获得一个独特的调节手段：通过外加磁场或电场触发基元过程,在非热力学上控制反应的进行。该手段在控制化学反应方面具有明显优势,因为现在大都是通过调节温度、压力和流量等参数来实现对化学反应的控制,且滞后严重。同时,通过添加外加磁场可立刻改变反应速率。另外,通过降温可精细控制基元反应,从而开辟了一种抑制副反应的方法,因而也使得反应的随机性降低。     

自旋催化剂——量子触发化学反应（英文）

当初始态和过渡态之间存在能量差时,通常会考虑用催化的方法来增加反应速率,即经由能量更低过渡态的反应路径,或增加反应物初始态能量,如改变溶剂或在特殊表面吸附分子.然而,对于某些类型的反应,如H2和O2反应生成水,NO的氧化等,仅仅采用这些方法还不够,因为反应物和产物具有不同的自旋态,而自旋守恒定律一般会禁止该过程的发生.即使克服了能垒,该体系也不能转化成稳定的产物,且不改变其电子自旋多重态.但在特殊的非热力学条件下,该类反应仍可发生.这通常指自旋不守恒的过程.改变体系电子自旋最直接的方法是与原子核自旋有作用的电子自旋翻转.它可由自旋-轨道耦合来实现,因此,其实现的几率取决于元素的原子数.从3d金属开始,发生这种情况的可能性甚至更大.这是由于与d轨道耦合的效率更高所致,所以采用自旋交叉就能方便地解释自旋禁止反应发生的原因.然而,轻原子发生自旋翻转的可能性很低,因此,当面对无金属化学时,我们应该考虑自旋禁止反应发生的第二个方法—自旋催化.通过帮助克服自旋禁止的物质以促进化学反应,或通过顺磁催化剂诱导自旋解耦以降低活化能垒,这类现象就可定义为自旋催化.简而言之,为了得到想要的和热力学更有利的自旋态,一个反应粒子可以与自旋催化剂交换磁矩;该自旋催化剂需有拟自旋-简并基态或低激发态.因此,体系整个的自旋仍守恒,但可发生反应.值得强调的是,自旋"催化剂"指的是分子状态和固体状态,通常后者应用于工业中则方便得多.自旋催化是作为自旋化学的范例来研究的,或在外磁场中化学诱导动态核极化和反应,主要是指采用EPR光谱研究以液相为主的过程.本文简略介绍了自旋催化的理论.实际上,自旋催化与常规催化之间并不相互抵触—相同的材料既可作为自旋催化剂,也可用作常规催化剂,都起着降低反应能垒和提供自旋交换的自由基中心的作用.另外,许多现代材料包含着常规催化剂和自旋催化剂的特性.有些发生在多核磁性金属中心上的过程可能本身就包含着常规催化(活化底物)、自旋交叉(与d金属相互作用)和自旋催化(金属-氧簇合物中低能的铁磁-反铁磁转化)效应.气相自旋催化在实际应用中产生的主要问题是在稀释的体系中三粒子碰撞几率低,常规催化在这方面则有很多优势.我们首先列出固体成为自旋催化剂的条件:(1)活性中心中至少2个自旋态的能量差要小于反应温度下热运动的能量,这样无需额外的能量活化催化剂;(2)较大的比表面积以提供更多的自旋中心用于相互作用;(3)最好能够自旋导电,在此情况下反应无需三粒子碰撞即可发生.这是因为自由基可通过催化剂的电子系统交换自旋,使得自旋-自旋相互作用的几率迅速增加,从而有利于自旋催化反应的进行.另外,如果固体或载体具有自旋导电性,则无需外加电场或磁场,即有可能遥控催化中心的电荷和自旋态,从而避免使用外电场或磁场.实际上,许多反应过程本身就包含着自旋催化,它还可使反应过程的许多不足变成优势,如对于不需要的链式自由基反应;通过引入自旋捕获剂使得自旋禁止反应成为有用的自旋催化;磁性粒子的浓度以及外加磁场和电场均可导致自旋催化/禁止反应.由于均相自旋催化的研究较早,在此不再赘述.本文详细介绍了多相体系中的自旋催化的应用,如燃烧、温和氧化、环化、开环、非极性小分子的活化和不稳定自由基的耦合等.可能用作自旋催化剂的材料有:含有不同顺磁性的金属离子的磁性氧化物或多核磁性簇合物;嫁接在一些载体上的多核络合物或过渡金属(低温催化);带有非整数氧化价态的导电金属;各种具有半金属性和导电性的碳材料.研究自旋催化反应的一个突出问题就是这些过程大部分是自由基式的,趋于非线性区域,因而很难预测,也没有一个便利的工具用以描述,甚至预测自旋催化反应,但也许这些研究的特点就是不可预测性.自旋催化除了可调变反应的进行,我们还可从中获得一个独特的调节手段:通过外加磁场或电场触发基元过程,在非热力学上控制反应的进行.该手段在控制化学反应方面具有明显优势,因为现在大都是通过调节温度、压力和流量等参数来实现对化学反应的控制,且滞后严重.同时,通过添加外加磁场可立刻改变反应速率.另外,通过降温可精细控制基元反应,从而开辟了一种抑制副反应的方法,因而也使得反应的随机性降低.     

自旋交叉配合现象与分子电子器件

自旋交叉配合物在热、压力或光诱导自旋交叉现象的同时会伴随着其它一些协同效应，比如配合物颜色的改革、存在着大的热滞后效应等，这些协同效应是单个分子或分子集合体作为热开关、光开关和信息存储元件材料的基础。因此，自旋交叉配合物是开发新型的热开关、光开关和信息存储元件材料的理想分子体系。本文概述了自旋交叉现象的研究历史、现状和未来的发展趋势。讨论了影响配合物自旋交叉性质的各种内在的和外部的因素，总结了目前用于研究自旋交叉现象的各种现代测试技术。最后，展望了自旋交叉配合物在分子电子器件方面的应用前景。     

中国科大实现自旋磁共振谱仪单核自旋簇灵敏探测

<正>传统的自旋磁共振谱仪基于系综探测原理,它的测试对象是含有百亿个以上相同自旋的系综样品。受限于传统的探测方式,室温大气环境下,一直未能将磁共振技术推进到纳米甚至原子尺度。杜江峰教授研究组选取了基于掺杂金刚石中氮–空位(以下简写为NV)对的固态单自旋作为探针,代替传统的电探测方式,用基于此体系单自旋态制备成量子干涉仪,将微     

自旋转换现象及其研究进展

随着分子科学的发展,越来越多的双稳态体系被用作分子基材料器件的载体,在温度传感器、光开关及信息记忆、存储等领域得到应用。自旋转换配合物是目前研究最为广泛的双稳态体系。在一种外界微扰(如温度、压力、磁场、光辐射以及特定客体分子或化学环境)下,就可以发生一种稳定态向另一种稳定态的转变,从而起到信息存储或开关的作用。本文综述了近几年来自旋转换现象的最新研究成果,介绍了自旋转换的概念和研究意义,对可以发生自旋转换的体系进行了总结,特别是Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)体系;并对目前的研究热点和前景进行了总结和展望。     

有机自旋光电子学的基本过程

有机自旋光电子学的研究方向分为磁场效应和自旋注入两个方面.研究表明,外加低磁场能够显著改变非磁性有机半导体材料的光致发光、注入电流、电致发光和光电流.这称为有机半导体材料的磁场效应.近年来,非磁性有机半导体材料的磁场效应引起了广泛的关注和研究兴趣.首先,有机半导体材料的磁场效应是强有力的实验手段,用以研究有机电学、光学和光电器件中电荷传输和激发态中的有用和无用过程,为解决电荷传输和激发态过程中的瓶颈问题提供有效的实验手段,为实现磁-光-电多功能集成提供科学原理,尤其是磁场效应能够为提高能量转换效率、探测和传感光电子学器件的响应频谱范围和灵敏度提供新思路.同时利用磁电极,有机半导体材料和器件中自旋注入及其对电荷传输和激发态过程的调控可以用于发展新型功能化的自旋光电子学器件.本文综述并讨论了有机半导体材料和器件中的磁场效应和自旋注入的光电子学效应.     

中科院物理所自旋霍尔效应研究取得重要进展

中国科学院物理研究所的方忠研究员和姚裕贵副研究员合作在自旋霍尔效应上开展了深入而广泛的探索，并取得了一些创新成果。他们利用第一性原理方法计算了半导体和简单金属的自旋霍尔电导率，发现内秉白旋霍尔电导率具有丰富的符号变化，这一点和外秉自旋霍尔效应有着本质上的不同，这个属性有可能被用于分辨自旋霍尔效应的内秉和外秉机制。他们还首次预言了钨和金具有较大的自旋霍尔效应且符号相反，同时发现强散射并不会拟制这两种金属中的自旋霍尔效应，也就是说在强散射情形下自旋霍尔电导率仍然具有较大的值，这使得它们有可能是一种潜在的可应用于自旋电子学器件中的材料。     

可蒸镀自旋交叉配合物的薄膜与器件

自旋交叉配合物在温度、压力、光照和磁场等刺激下可以发生高低自旋态之间的可逆转变, 通常还伴随着颜色、体积和电导率变化以及热滞等效应, 因此这类材料在光热开关、传感器、显示和存储等领域具有潜在的应用. 由于可以获得高质量的超洁净薄膜, 高真空蒸镀工艺常用于分子电子学与分子磁学等的器件制备, 目前报道的可蒸镀自旋交叉配合物种类较少, 大大限制了自旋交叉配合物的器件应用. 针对可蒸镀自旋交叉配合物的薄膜与器件进行了系统的综述, 介绍了几种主要的适于高真空蒸镀的自旋交叉配合物, 结合不同的表征手段分析了衬底对分子薄膜自旋转变特性的影响, 并针对相关的概念性器件进行了讨论, 最后对自旋交叉配合物在器件应用中存在的难点和未来的发展趋势进行了展望和评述, 希望能够为自旋交叉领域的器件应用提供一些借鉴.     

氟烯的结构-特性关系——8.建立自旋离域参数σ的新途径

取代基可以通过三种效应影响自由基型反应的速度,即:立体、极性和自旋离域化效应。离子型反应中没有自旋离域化问题,但在自由基型反应中,由于过渡态的能量直接受到极性作用和自旋离域化作用的影响,所以要拆分这两种作用,建立一套只反映能使自由基通过离域而稳定化的σ参数,就十分困难。近年来,化学工作者仍为此而继续努力,如     

自旋电子学-光催化产氢交叉学科研究中的测试表征技术进展

清洁能源的研究和开发为解决化石燃料的日益枯竭问题带来了希望.氢能燃烧热值高,产物零污染,是理想的清洁能源.利用太阳能,通过光催化反应从水中制取氢气,是一条极有发展前景的制氢途径.然而,太阳能光催化制氢的发展受到许多因素的限制,特别是光电子传输过程中的电子-空穴复合及能量损失导致的电子输运效率低以及高的产氢产氧过电位导致水分解过程的势垒增大.自旋电子学的发展,为太阳能光催化制氢中的这些问题提供了解决之道.通过将自旋电子学的思路及原理应用于太阳能光催化制氢,借助自旋输运及电子隧穿可有效提高电子的输运效率,光电子的自旋极化还可降低产氢产氧过电位并抑制副产物的生成.测试表征技术的发展为揭示自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学的内秉机理做出了重要贡献.然而,目前尚无相关文籍对此类测试表征技术的发展进行总结和评述.考虑到这些测试表征技术在自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学研究中的重要作用,对它们进行归纳和总结,评述其发展面临的问题与挑战,探索并合理预测其未来的发展方向.     

三核自旋偶合体系的磁化率公式

对多核自旋偶合体系的研究是设计分子基铁磁体的基础犤１犦。在多核自旋偶合体系中，磁交换参数Jij值的评估对研究多核间的磁交换机理和研究多核自旋偶合体系的磁－构相关性是至关重要的。多核间的磁交换参数Jij值不能从实验直接得到，理论计算又有很大的困难和不准确性。目前，Jij值主要是通过多核自旋偶合体系的变温磁化率公式拟合实验数据来评估。因此，磁化率公式在磁化学研究中具有重要的理论和实际意义。通常，磁化率公式是通过求解多核自旋偶合体系的自旋交换Hamiltonian算符的本征方程，求出体系的能量本征值，然后用Boltzmann分…     

设计高自旋基态体系的一种新方法—具有非正规自旋态结构的三核配合物

设计具有高自旋基态分子是最终获得常温分子性铁磁体的关键一步。本文介绍一种获得高自旋基态分子的巧妙策略，即反铁磁偶合方法。     

Fe(II)自旋交叉分子材料

自旋交叉配合物具有理想的分子双稳态,可用作新型的热开关、光开关和信息存储器件。本文对近三年来Fe(II)自旋交叉分子材料的重要研究进展进行了综述,主要讨论了转变温度在室温附近的Fe(II)自旋交叉配合物以及具有光致激发自旋态捕获(LIESST)效应和多功能的Fe(II)自旋交叉分子材料,并对Fe(II)自旋交叉分子材料的应用前景作了探讨。     

违反Hund规则的情况——自旋极化效应

自旋极化效应能够导致违反Hund规则的情况,特别是对于单重态和三重态成对出现的组态。在具有一个以上未成对电子的体系中,我们注意到动态自旋极化决定于未成对电子的相对自旋方向,并且在开壳层的单重态和三重态中动态自旋极化效应是不同的,对于这两种状态的自旋极化效应可用CI-型波函数来描述。     

Fe(Ⅱ)自旋交叉分子材料

自旋交叉配合物具有理想的分子双稳态,可用作新型的热开关、光开关和信息存储器件。本文对近三年来Fe(Ⅱ)自旋交叉分子材料的重要研究进展进行了综述,主要讨论了转变温度在室温附近的Fe(Ⅱ)自旋交叉配合物以及具有光致激发自旋态捕获(LIESST)效应和多功能的Fe(Ⅱ)自旋交叉分子材料,并对Fe(Ⅱ)自旋交叉分子材料的应用前景作了探讨。     

氟尿嘧啶自旋标记衍生物的合成与抗肿瘤活性

稳定氮氧自由基作为某些抗癌药物的载体,不仅能提高药物对癌细胞的选择性,而且为借助电子自旋共振(ESR)技术研究药物的作用机理和代谢提供了一种新手段。在前文中,我们报道了几种5-氟尿嘧啶的自旋标记衍生物。作为这一工作的继续,本文报道一系列新的氟尿嘧啶自旋标记衍生物10_(a—c)、11_(a—c)和12_(a—c)的合成及其抗肿瘤活性的研究。     

磁性分子自旋态检测与调控的STM研究

单分子自旋态检测与可逆调控是目前物理、化学及信息技术等领域的研究热点．本文综述了扫描隧道显微镜在该领域的研究进展,着重论述了酞菁类磁性分子在金属单晶表面或绝缘层薄膜上磁性的检测;自旋交叉配合物分子自旋双稳态的检测与可逆调控;单分子磁体的表面制备及输运性质的检测．     

核磁共振波谱的自旋去偶技术及其在化学结构研究上的应用

核磁共振波谱在研究化学结构中占有重要的地位。在高分辨的核磁共振波谱中,磁性核之间的自旋-自旋偶合作用往往会使谱线复杂化。一方面,可以利用自旋-自旋偶合作用来确定一些化合物的结构;另一方面,由于谱线的复杂化,使得分析复杂化合物的核磁共振谱发生困难。借助于自旋去偶技术可以解决核磁共振中很多疑难问题,使核磁共振的研究工作更深入一步。因此,它是核磁共振波谱学发展中的一门重要的研究技术。必须区别两种不同的自旋-自旋偶合情况,即同一类核之间的自旋-自旋偶合(例如质子之间的偶合)和不同类核之间的偶合(例如质子同