单链磁体及其研究进展

单链磁体是继单分子磁体之后分子磁学领域的又一前沿课题。对其磁特性的研究不论是在基础理论方面还是在实际应用方面都具有非常重大的意义。本文较全面地介绍了现有单链磁体的种类、结构、磁学研究方法,并对其研究方向进行了展望。     

分子磁性材料及其研究进展

对分子磁性材料的一些基本概念和磁学现象作了简单介绍,主要包括磁耦合、磁有序、磁弛豫和自旋交叉等几个方面。重点综述了单分子磁体、单链磁体、自旋交叉化合物、多功能复合磁体以及磁性分子组装领域的研究进展。     

单离子磁体及其磁弛豫动力学的研究进展

单分子磁体因其在高密度信息存储、自旋电子学以及量子计算方面有潜在的应用价值而被广泛关注。单离子磁体是具有单个金属自旋中心的单分子磁体,其特点是结构简单、可设计性强和磁构关系更易研究。本文介绍了近年来典型的单离子磁体及其磁弛豫动力学的研究进展。     

单分子磁体及其磁学表征*

单分子磁体是介于分子基磁体和纳米磁性材料的学科交叉点.对其不同寻常磁特性的研究不仅有助于纳米磁性离子物理学和化学的发展,而且有望最终用于高密度信息储存设备.本文就单分子磁体的研究背景和意义、单分子磁体的种类、结构及磁学表征作一概述.     

基于顺磁稀土离子的磁性分子材料

构建含镧系稀土金属离子的分子基磁性材料是当前分子磁学研究的重要领域之一．本文按照单稀土离子,稀土离子-稀土离子（4f-4f）相互作用体系,稀土离子．过渡金属离子（4f-3d）相互作用体系,稀土离子．自由基（4f-p）相互作用体系的顺序,介绍了含镧系稀土金属离子的单离子磁体,基于稀土金属离子,过渡金属离子和自由基多核簇的单分子磁体、单链磁体和磁有序体系的磁学性质．根据磁性分子材料中自旋载体和磁耦合性质的不同,分别用实例介绍了磁耦合、磁有序和磁驰豫性质的特点和来源．首先,本文综述了孤立的单稀土离子配合物体系的结构和磁学性质．由于稀土金属离子的4f电子具有强的旋轨耦合作用和较大的磁各向异性,所以有些单稀土离子配合物如双酞菁铽、镝等体系具有慢的磁驰豫行为,其低温下的磁滞回线呈现台阶状,被称为单离子磁体．该类分子基磁性配合物慢磁驰豫性质的来源可以用镧系稀土离子的电子自旋磁矩、轨道磁矩、核自旋磁矩之间的相互作用解释．具有场诱导缓慢磁驰豫行为的单稀土离子配合物是另一类引起关注的磁性分子材料．该类配合物在零场下交流磁化率的虚部没有峰值,而在一定的外磁场下,其交流磁化率的虚部出现峰值并具有频率依赖性．这种现象可能可以归因为体系的Kramer简并基态在外场下消除了快的磁驰豫过程,使慢的磁驰豫过程,如Orbach过程成为主导．其次,本文综述了稀土离子的4f电子之间的磁耦合作用和磁学性质．一方面,对于具有4f^7电子构型的含Gd（III）离子配合物,f电子之间的磁耦合作用主要是各向同性磁交换作用．由于4f电子能量很低,同其他稀土离子f电子之间的耦合作用被外层轨道屏蔽,所以磁耦合常数很小,无法形成磁有序的结构;另一方面,对于有强旋轨耦合作用的非4f^7电子构型的稀土离子配合物,由于理论计算和拟合上的困难,其4f电子之间的磁耦合作用的机理研究还很少．值得关注的是,有报道发现Dy3簇合物具有单分子磁体的性质,并且基态几乎是非磁的,其磁性来源主要是丰富的低激发态能谱,也就是说,一般认为的单分子磁体必须具有大的自旋基态并不是发生缓慢磁驰豫行为的必要条件．再次,本文综述了稀土金属离子一过渡金属离子簇合物的磁学性质．由于4f-3d之间的磁耦合作用要远大于4f-4f电子之间的磁耦合作用,所以此类配合物磁学性质和磁构关系的研究相对较多,其磁学性质也相对丰富．由于Gd离子和Cu离子的旋轨耦合作用较小,理论计算和磁性数据的拟合相对简单,所以对于磁构关系和磁耦合性质的研究主要集中在Gd—Cu体系．对于存在强旋轨耦合作用的其他镧系稀土离子,可能出现磁有序,慢的磁驰豫等其他磁学现象．实验上也合成了一些基于4f-3d作用的单分子磁体和单链磁体．此外,本文还综述了稀土金属离子．自由基体系的磁学性质．对于自由基与稀土金属离子之间的耦合,由于不需要通过抗磁性的其他原子,所以可能产生比4f-4f,4f-3d体系更强的磁耦合作用．实验上,也的确发现了一些具有磁有序行为的4f-自由基分子磁性材料,但磁有序主要发生在低温区．最后,对稀土分子基磁性材料研究中需要解决的问题和未来发展前景进行了展望．     

单分子磁环最新进展及研究展望

与单分子磁体的定义(SMMs)相类似,单分子磁环(SMTs)定义为具有环形磁双稳态的一类分子。该类配合物的特征在于弱耦合磁矩的"涡旋"空间分布导致总磁矩为零,但是分子仍具有环形磁矩。单分子磁环为量子计算和信息存储提供了广阔的应用前景,也可以作为具有磁电耦合效应的多铁材料。自从在[Dy3]分子中首次观察到典型的单分子磁环行为以来,研究人员在合成单分子磁环方面做出了巨大的努力,致力于合成具有环形磁矩的分子以及设法将环形磁矩增强。本文将对近年报道的新兴单分子磁环配合物进行详细地分析讨论,旨在阐明影响环形磁矩排列的因素以及单分子磁环配合物的综合设计策略,指导探索合成具有增强环形磁矩的单分子磁环配合物。     

氮氧自由基-金属配合物磁性分子材料*

氮氧自由基-金属配合物的合成和功能性研究,已成为分子磁性材料的一个热点课题。本文主要介绍了近年来氮氧自由基-金属配合物型分子基磁体、单分子磁体、单链磁体、分子自旋转换配合物等的最新研究成果,并就这一领域的发展前景做一展望。     

具有单分子磁行为的二维Dy(Ⅲ)-配合物

在水热条件下,利用刚性配体Hapca（3-氨基吡嗪-2-羧酸）合成了一例基于双核镝结构基元的二维网格配合物[Dy₂（apca）₄（OH）₂（H₂O）₂]_n （1）。磁性研究表明：该配合物显示铁磁耦合,并具有典型的慢弛豫行为,其弛豫时间τ₀=9.47×10^-7 s,各向异性能垒U_eff/k_B=73.7 K,是一例少见的具有单分子磁行为的镧系二维网格配合物。     

具有单分子磁行为的二维Dy(Ⅲ)-配合物

在水热条件下,利用刚性配体Hapca(3-氨基吡嗪-2-羧酸)合成了一例基于双核镝结构基元的二维网格配合物[Dy₂(apca)₄(OH)₂(H₂O)₂]_n(1)。磁性研究表明：该配合物显示铁磁耦合,并具有典型的慢弛豫行为,其弛豫时间τ₀=9.47×10^-7 s,各向异性能垒U_eff/k_B=73.7 K,是一例少见的具有单分子磁行为的镧系二维网格配合物。     

杯芳烃修饰的六核镝单分子磁体

以对叔丁基杯[4]芳烃（HaC4A）配体合成了三个同构化合物[Ln^Ⅲ6（μ4-O）2（C4A）2（N03）2（HCOO）2-（CH30）2（DMF）4（CH30H）4]（Ln=Gd（1）,Tb（2）,Dy（3））,并对其晶体结构、磁性和荧光性质进行了研究．化合物结构中,两个尾对尾的杯芳烃分子和一个夹在中间的稀土八面体构成一个六核的三明治型结构单元,该结构单元通过超分子堆积形成化合物的三维结构．磁性和荧光测试表明,含镝化合物表现为具有光致发光性能的单分子磁体．     

氰基桥联的Fe2Ni2单分子磁体的合成与磁性

利用三氰基构筑单元Bu₄N[Fe^Ⅲ（PzTp）（CN）₃]（PzTp=tetrakis（pyrazolyl）borate）和4,4''-二甲氧基-2,2''-联吡啶（4,4''-dmobpy）配体,合成了2例氰基桥联的Fe^Ⅲ₂Ni^Ⅱ₂四核配合物。单晶X射线衍射表明化合物[Fe^Ⅲ（PzTp）（CN）₃]₂[Ni^Ⅱ₂（4,4''-dmobpy）₄][Fe^Ⅲ（PzTp）（CN）₃]₂·2CH₃OH（1）和[Fe^Ⅲ（PzTp）（CN）₃]₂[Ni^Ⅱ₂（4,4''-dmobpy）₄]（PF₆）₂（2）具有四核四方形分子结构。直流磁化率测试表明配合物1和2均表现为分子内的铁磁耦合作用。交流磁化率测试表明配合物1和2在零场下具有慢磁弛豫行为,有效能垒分别为12.8和13.0 K。     

具有缓慢磁弛豫行为的单核Dy（III）和Ho（III）配合物

以席夫碱配体N,N''-双（3-甲氧基亚水杨基）乙烯-1,2-二胺（H₂salen）为原料,合成了2个新的镧系配合物,即[Dy（salen）₂]₃·3C₂H₉N₂·2CH₃OH（1）,[Ho（salen）₂]₃·3C₂H₉N₂·1.5CH₃OH（2）,并对其进行了基本表征。X射线单晶衍射结果表明,配合物1和2结晶于单斜晶系C2空间群,其金属配位环境类似。配合物1和2在零场和外加磁场下均具有单分子磁体（SMMs）行为。     

微调镝(Ⅲ)离子配位环境提升单离子磁体有效能垒

对于合成化学家来说,通过合成策略调控单离子磁体的磁动力学是一项艰巨的任务。我们以三（2-羟基亚苄基）三氨基胍配体（L）合成了2例单核Dy（Ⅲ）配合物[Dy（L）₂（H₂O）₂]ClO₄·2H₂O·2CH₃CN·CH₃OH（1）和[Dy（L）₂（H₂O）₂]CF₃SO₃·4H₂O·2CH₃OH（2）。对其结构和磁性研究表明,不同的抗衡阴离子对于配合物1和2的动态磁行为有显著影响。2个配合物中,Dy（Ⅲ）中心都具有三角形十二面体D_2d对称性,在零直流场下表现出单离子磁体的行为,其有效能垒分别为358 K（1）和309 K（2）。结构参数对比表明轴向位置的键长和键角微小变化对轴向配体场产生了显著的影响,而轴向配体场的微小变化导致了2个配合物交流磁性的差异。     

脱水对六核锰单分子磁体磁性的影响

以水杨醛肟和Mn(CH3COO)2.4H2O为原料,合成了一个新的六核锰簇合物[Mn6O2(CH3COO)2(salox)6(H2O)4].10H2O(salox2-表示负二价的水杨醛肟),对其进行了单晶X射线衍射分析及脱水前后样品的直流和交流磁性测试。结果表明,该簇合物是一个反铁磁性单分子磁体,脱水使得六核锰簇内的反铁磁作用增强,磁弛豫能垒下降,但簇合物仍保持单分子磁体的性质。     

一例酰腙席夫碱双核铽配合物的合成、晶体结构及磁性研究

以N3?(2?吡啶基)?3?吡啶甲酰腙(HL)为配体,采用溶液合成法,制备出一例双核铽配合物,其化学式为[Tb2(L)2(CH3COO)4(H2O)2](1).对化合物1进行了单晶X射线衍射测试,结果表明化合物1具有中心对称双核结构,其中两个乙酸根连接两个TbIII.对TbIII的构型计算,结果显示每个九配位的TbII...     

锕系单分子磁体研究进展

单分子磁体是一类由单个分子组成的磁性材料,其磁性起源于单个分子的磁矩,有望在超高密度存储、量子计算机、自旋电子学等领域得到应用.由于锕系元素极大的旋轨耦合效应及5f轨道的延展性,锕系单分子磁体越来越受到人们的关注,期待未来磁学性能甚至能超越过渡及镧系金属.然而,目前对于锕系单分子磁体的弛豫机理及慢磁行为的影响因素仍尚未明确.本综述总结了近10多年以来报道的锕系单分子磁体,发现有效能垒的实验值和理论值极不相符,一定程度限制了锕系单分子磁体的发展.最后,对未来的锕系单分子磁体研究方向进行了展望.     

基于席夫碱配体和两种苯甲酸盐构筑的两例Dy4配合物的合成、结构及单分子磁体性质

使用Dy(NO₃)₃·6H₂O与席夫碱配体2-(((2-羟基-3-甲氧基苄基)亚氨基)甲基)-4-甲氧基苯酚(H₂L)和2个辅助配体PhCO₂H和2-NO₂-PhCO₂H在乙醇中反应,得到2例Dy₄配合物[Dy₄(L)₄(PhCO₂)₂(NO₃)₂(EtOH)₂](1)和[Dy₄(L)₄(2-NO₂-PhCO₂)₂(NO₃)₂(EtOH)₂](2)。单晶X射线衍射解析表明配合物1和2均由Dy₂基本单元构建,形成中心对称的四核线性链状结构。配合物1和2中Dy₂单元中的一个Dy(Ⅲ)离子呈现七配位几何构型,另一个Dy(Ⅲ)离子呈现八配位几何构型。2例配合物均为单分子磁体,其能垒分别为110和108 K。通过理论计算对1和2的磁性能进行了分析。     

基于席夫碱配体和两种苯甲酸盐构筑的两例Dy4配合物的合成、结构及单分子磁体性质

使用Dy (NO₃)₃·6H₂O与席夫碱配体2-(((2-羟基-3-甲氧基苄基)亚氨基)甲基)-4-甲氧基苯酚(H₂L)和2个辅助配体PhCO₂H和2-NO₂-PhCO₂H在乙醇中反应,得到2例Dy₄配合物[Dy₄(L)₄(PhCO₂)₂(NO₃)₂(EtOH)₂](1)和[Dy₄(L)₄(2-NO₂-PhCO₂)₂(NO₃)₂(EtOH)₂](2)。单晶X射线衍射解析表明配合物1和2均由Dy₂基本单元构建,形成中心对称的四核线性链状结构。配合物1和2中Dy₂单元中的一个Dy (Ⅲ)离子呈现七配位几何构型,另一个Dy (Ⅲ)离子呈现八配位几何构型。2例配合物均为单分子磁体,其能垒分别为110和108 K。通过理论计算对1和2的磁性能进行了分析。     

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．     

Air-stable High Performance Macrocyclic Dysprosium (Ⅲ) Single-Ion Magnet北大核心CSCD

Designing and preparing air-stable high-performance single-molecule magnets (SMMs) is of great significance toward the implementation of SMMs in high-density information storage,quantum computation and molecular-based spintronics devices. Herein,an air-stable macrocyclic Dy (III) single-ion magnet with pentagonal bipyramidal local symmetry is obtained by the reaction between N,N'-bis (2-aminoethyl)-1,3-propanediamine and 2,6-diacetylpyridine with the dysprosium ion as template. Single crystal X-ray diffraction reveals that the dysprosium ion is encapsulated in the equatorial plane with BPh4− as counter anion and the axial position is occupied by two Ph3 SiO−. The state magnetic measurements gives the χM T value of 13. 96 cm3·K/mol at room temperature,close to the theoretical value of 14. 17 cm3·K/mol for one isolated Dy (III) ion. The dynamic magnetic measurements confirm its typical SMM behavior under a zero dc field with the effective magnetic reversal barrier up to 1008 K. Magneto-structural investigations show that the excellent SMM properties are attributed to the D5h local symmetry and the strongly axial crystal field created by two Ph3 SiO− for the dysprosium ion. Thermogravimetric analysis indicates that the compound is extremely air stable and the decomposition temperature reaches up to 297 ℃ ,which provides a promising avenue for depositing high performance SMMs on conductive substrate surfaces. © 2022, Science Press (China). All rights reserved.