稀土单分子磁体的研究进展

在信息存储和量子计算方面具有广阔应用前景的单分子磁体及相关研究中,应用各向异性显著的稀土离子以期提高单分子磁体自旋翻转能垒的研究倍受关注。 本文综述了稀土单分子磁体的研究进展,并着重介绍了单核、三核及四核镝配合物单分子磁体的磁学性质。     

稀土单分子磁体

单分子磁体因其磁性双稳态和慢弛豫机制而在超高密度存储材料、自旋电子器件等领域具有潜在的应用. 稀土单分子磁体因为具有较大的磁矩和磁各向异性而成为近年来研究的热点话题. 目前有关稀土单分子磁体的综述都主要集中在它们的合成、结构及磁性能, 而在其它性质方面缺少深入而系统的研究. 因此, 本论文结合现有的研究成果, 围绕稀土单分子磁体的高翻转能垒、复杂的多弛豫机制、可调控的磁性以及多功能材料的四个特点进行了综述, 旨在更好的理解稀土单分子磁体的物理、化学本质, 为稀土单分子磁体的设计与调控提供思路.     

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.     

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。     

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．     

单分子磁体

单分子磁体是涉及合成化学、材料科学和凝聚态物理等边缘学科的一个新颖课题。本文对单分子磁体的主要性质、功能、研究方法和最新进展做了评述。重点介绍了含Mn和Fe这两类重要的单分子磁体。     

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.     

第一过渡系金属-镝单分子磁体研究进展与展望

第一过渡系中的顺磁性离子Cr^Ⅲ、Mn^Ⅱ/Mn^Ⅲ、Fe^Ⅱ/Fe^Ⅲ、Co^Ⅱ、Ni^Ⅱ和Cu^Ⅱ及抗磁性离子Co^Ⅲ和Zn^Ⅱ均可与Dy^Ⅲ在多齿螯合配体配位下形成单分子磁体配合物。在本文中,我们阐述或汇总了几乎所有的第一过渡系金属-镝单分子磁体。对于由顺磁性第一过渡金属离子和Dy^Ⅲ离子形成的配合物,有2个有趣的现象需要引起人们的注意：一是一些Cr-Dy配合物具有较高的阻塞温度和较大的矫顽场,这可归功于配合物内Cr^Ⅲ离子和Dy^Ⅲ离子之间较强的磁耦合作用（|J|>10 cm^-1）。二是报道的Fe^Ⅱ₂-Dy配合物的能垒可达到319 cm^-1（459 K）,这在第一过渡系金属-镝单分子磁体中也是比较高的。这可能与Fe^Ⅱ₂-Dy中Dy^Ⅲ具有较高的轴向对称性（D_5h）有关,且从头计算表明该配合物中Dy的第一激发态也具有较高的轴向对称性。除了部分Cr-Dy和Fe^Ⅱ-Dy配合物外,其他顺磁性第一过渡金属-Dy的能垒较低,这可能由配合物内顺磁离子间弱的磁耦合造成的。为了消除磁耦合对磁弛豫行为影响,近年来人们关注于使用抗磁性第一过渡金属离子与Dy^Ⅲ构建单分子磁体配合物。相比其他核数的Zn-Dy配合物,三核Zn₂Dy配合物被报道的数目最多且研究得最为深入,这可能与较易调控Zn₂Dy中Dy配位几何对称性有关。最后,我们提出了几点关于进一步提升第一过渡系金属-镝单分子磁体的磁性能的建议,其中最为重要的是控制Dy配位几何的轴向对称性及Dy的基态m_J的电荷分布。对于第一过渡系金属-镝单分子磁体中的Dy^Ⅲ离子,Dy^Ⅲ基态m_J的电荷与配体的电荷之间的静电排斥应该降到最低。     

一例具有显著单分子磁体行为的双核镝配合物

使用多齿席夫碱H₂L（H₂L=（E）-N''-（3-乙氧基-2-羟基亚苄基）-3-羟基吡啶甲酰肼）为配体,与Ln（dbm）₃·2H₂O（Ln=Dy（1）、Nd（2）;dbm^-=1,3-dioxo-1,3-diphenylpropan-2-ide）反应,通过溶剂热法,成功得到了2例新的双核稀土配合物[Ln₂（dbm）₂（L）₂（C₂H₅OH）₂]。单晶X射线衍射结构表明：配合物1和2的结构主要由2个Ln（Ⅲ）离子、2个dbm^-、2个L^2-及2个C₂H₅OH组成,中心Ln（Ⅲ）离子通过2个μ₂-O原子相互连接,形成一个平行四边形的Ln₂O₂核心。磁性研究表明,配合物1中Dy（Ⅲ）离子间存在铁磁耦合作用,且1表现出显著的单分子磁体行为。     

3d-4f单分子磁体*

单分子磁体是指那些在磁场下能够被磁化,当磁场去除后仍能保持磁性的单个分子。由于在信息处理和储存方面具有潜在的广泛应用前景,单分子磁体日益成为化学、材料科学和物理等学科的研究热点。近年来,同时含有镧系金属离子和过渡金属离子的3d-4f单分子磁体更是引起了很多研究者的兴趣。本文阐述了3d-4f单分子磁体的优势,总结了3d-4f单分子磁体的常见合成方法及其磁性,分析了影响3d-4f单分子磁体磁性的因素。     

环形镧系分子簇合物的组装与单分子磁体性质

由于稀土离子具有很强的磁各向异性,近年来基于单核或多核稀土化合物的单分子磁体研究得到了人们广泛的关注.环形簇合物是一类特殊的簇合物,也称分子轮或金属冠醚.设计合成环形稀土簇合物不仅可以获得新的稀土单分子磁体,而且环形簇合物中稀土离子磁偶极的涡旋分布还可以产生环形磁矩,因而在量子计算、信息存储、自旋分子器件等方面具有潜在的应用.鉴于环形稀土簇合物特别是含奇数核的环形簇合物的合成依然充满挑战,本综述将着重阐述已报道的环形稀土簇合物的组装规律、结构特点及磁性研究.     

稀土及过渡金属酞菁、卟啉类分子磁体的合成、结构特征及应用

在总结酞菁、卟啉的主要合成方法的基础上重点介绍了酞菁、卟啉类分子磁体的结构特征、磁学性质以及结构特征与磁学性质之间存在的必然联系。对该类分子磁体近年来的研究进展作了综合评述，并重点介绍了该类新型分子磁体的研究及应用前景。     

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．     

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。     

基于2-甲基-8-羟基喹啉的镝单分子磁体的晶体结构及磁性

以2-甲基-8-羟基喹啉(HL)为配体合成了2个含有镝离子的配位化合物[Dy₂L₄(HL)₄(H₂O)₂](ClO₄)₂·2H₂O(1)和[Dy₂L₆(C₂H₅OH)]·H₂O(2)。虽然在这两个配位化合物中配体都是2-甲基-8-羟基喹啉,但其参与配位的方式不同。这导致2个化合物中镝离子所处的配位环境不同,进而对化合物的磁性产生了影响。     

基于2-甲基-8-羟基喹啉的镝单分子磁体的晶体结构及磁性

以2-甲基-8-羟基喹啉(HL)为配体合成了2个含有镝离子的配位化合物[Dy₂L₄(HL)₄(H₂O)₂](ClO₄)₂·2H₂O(1)和[Dy₂L₆(C₂H₅OH)]·H₂O(2)。虽然在这两个配位化合物中配体都是2-甲基-8-羟基喹啉,但其参与配位的方式不同。这导致2个化合物中镝离子所处的配位环境不同,进而对化合物的磁性产生了影响。     

多酸构筑的单分子磁体

设计合成具有单分子磁体行为的分子磁性材料近年来受到广泛关注. 合成单分子磁体的一个常用策略是利用有机多齿含氧或含氮配体将各种自旋载体组装成簇,使之具有高基态自旋值(S)和负的单轴磁各向异性值(D),进而满足形成单分子磁体所需的磁能垒. 令人感兴趣的是近年来多酸发展成为一类构筑新型单分子磁体的无机建筑基元. 多酸是一类独特的具有富氧表面、可控的尺寸、形状和电荷的无机纳米级金属氧簇,同时,一系列缺位多酸衍生物能够结合各种过渡金属或稀土离子形成多核金属簇合物. 近五年来,多酸已作为一类无机多齿含氧配体成功构筑系列具有单分子磁体行为的新型过渡金属簇合物、稀土簇合物和3d-4f杂金属簇合物. 特别是一些缺位多酸配体能够为稀土离子提供完美的配体场,进而构筑新一代的单离子磁体. 此外,高自旋、磁各向异性单元(如单分子磁体)还可被均匀分散在具有孔道特征的多酸三级结构中,形成具有单分子磁体行为的多酸基复合材料. 最近,以多酸为模板构筑具有单分子磁体行为的多核簇合物也取得了新进展. 本综述旨在对近五年来利用多酸构筑的单分子磁体化合物进行评论,重点阐述利用多酸设计合成单分子磁体的策略、多酸在单分子磁体化合物结构中的作用和优势,以及多酸构筑单分子磁体这一研究课题的发展前景.     

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。