高配位3d过渡金属单离子磁体磁各向异性研究

单离子磁体(SIMs)因其磁性双稳态和慢弛豫机制而在高密度信息存储、量子计算和分子自旋电子学等方面具有潜在的应用价值。其中3d过渡金属单离子磁体(3d?SIMs)磁构关系较为简单且易于分析,因此得到了众多研究者的关注。目前文献上报道的大多数3d?SIMs通常具有较低的配位数,而对于高配位(七配位和八配位)的3d?SIMs缺少深入而系统的研究。我们结合近年来的研究成果,从磁各向异性的基本性质、实验表征和理论计算3个方面出发,对高配位3d过渡金属单离子磁体的配位环境、磁各向异性和慢磁弛豫行为进行了综述,分析了配位构型和配位原子等配位环境对高配位3d过渡金属单离子磁体磁各向异性的影响,为高配位3d过渡金属单分子磁体的设计与调控提供思路。     

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.     

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。     

稀土单分子磁体研究进展

单分子磁体是一类纳米尺度的磁性材料,在高密度信息存储、量子比特和自旋电子器件等方面具有潜在的应用价值而备受关注.由于稀土离子具有大的磁矩和强的磁各向异性,稀土离子在高性能单分子磁体构筑方面有过渡金属离子不可比拟的优势.近年来,以单核和双核稀土单分子磁体为代表的稀土单分子磁体的研究取得了长足的进展,尤其是突破了以液氮沸点...     

单分子磁体研究的最新进展

宏观上表现出可测的慢磁弛豫行为的单个分子称为单分子磁体,它主要包括过渡金属单分子磁体和稀土单分子磁体,其在量子计算、高密度信息存储以及自旋器件等方面的潜在应用吸引了研究者的广泛关注.本文介绍了单分子磁体研究的最新进展,重点总结了构筑高性能单分子磁体的合成策略.     

空气稳定的高性能大环镝单离子磁体

设计、合成空气稳定的高性能单分子磁体对实现单分子磁体在高密度信息存储、量子计算和分子自旋器件等方面的应用具有非常重要的意义。本文以镝离子为模板,通过N,N’-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺与2,6-二乙酰基吡啶原位缩合构筑了一个空气稳定的五角双锥构型的大环镝单离子磁体。单晶X射线衍射表明,镝离子处于赤道大环内部,其轴向位置被2个三苯基硅醇氧负离子占据,抗衡离子为四苯基硼负离子。静态磁性测试表明室温时该化合物的χ_MT值为13.96 cm³·K/mol,接近单个自由镝离子的理论χ_MT值14.17 cm³·K/mol,动态磁性测试表明,该化合物在零场下具有典型的单分子磁体行为,各向异性能垒高达1008 K。磁构关系研究表明,其优异的单分子磁体性能主要源于镝离子D_5h的局部对称性和三苯基硅醇氧负离子提供的强轴向型晶体场。另外,该化合物在空气中十分稳定,热重分析结果表明,其热分解温度高达297℃,为实现单分子磁体在导电基质表面的沉积打下基础。     

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.     

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.     

微调镝(Ⅲ)离子配位环境提升单离子磁体有效能垒（英文）

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.配合物[Dy(L)_2(H_2O)_2]ClO_4·2H_2O·2CH_3CN·CH_3OH (1)和[Dy(L)_2(H_2O)_2]CF_3SO_3·4H_2O·2CH_3OH (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.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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

分子纳米磁体的研究进展及应用

分子磁学主要研究无机配合物以及有机自由基的电子结构和磁性之间的关系。近些年发展起来的分子纳米磁体可以在单分子尺度上实现磁双稳态,独立作为一个磁功能单元,可能突破尺寸对传统磁性材料的制约,有望实现超高密度磁存储。分子纳米磁体中清晰的量子态也为量子退相干研究提供了化学调控的手段,这将为量子计算机提供物质基础。本文简要介绍了分子纳米磁体的概念和特征,并对研究进展进行了简要综述。     

联三吡啶配体组装及其金属络合物性能*

金属-配体间的配位作用是超分子化学中最重要的相互作用之一,寡聚吡啶配体可以与许多过渡金属离子配位,形成具有独特磁、光物理和电化学性质的过渡金属配合物,因此联三吡啶配体过渡金属配合物性能研究引起化学家的广泛关注。本文系统综述了联三吡啶配体及其衍生物的组装策略及其过渡金属配合物的光化学与光物理性能,包括单极、二极及多极配体以及由这类配体组装得到的各种拓扑结构的单核、多核过渡金属配合物,如线型金属寡聚物、金属聚合物、金属大环化合物、有机金属树枝状化合物等,并介绍这些配合物在该领域研究和应用前景。     

论络合物中心过渡金属离子的径向波函数

考虑中心对称配体场影响,提出一种不同基混合的束缚态过渡金属离子的3d径向波函数。利用这种波函数,计算了一些Cu⁺⁺络离子的晶场谱。假设适当的边界条件,用一个拟合参数,就能得到和实验一致的结果。这种方法的实质在于,在晶体场静止点荷模型基础上,考虑了诸配体等效中心对称场的部份分子轨道效应。这种混合基单电子3d径向波函数也能用于完全的分子轨道理论计算。