新型富勒烯包合物和包合物磁学性质研究

As an important branch of the fullerene family, endohedral fullerenes (EFs) have attracted broad attention owing to their unique structures, novel properties and wide application prospects in chemistry, physics and materials science. Exploration of novel EMFs is of particularly great significance to fullerene science and will contribute to expanding the scope of fullerene family and uncovering its formation route. Among them, a specific type of fullerenes- carbonitride clusterfullerenes(CCFs), remains largely unexplored. We plan to synthesize carbonitride clusterfullerenes based on larger rare earth atoms (such as La, Gd, Dy, etc.) in order to obtain new products with peculiar structures and physiochemical properties. In addition, single-molecule magnets (SMMs) have potential applications in ultra-high-density memory materials, spintronic devices because of their magnetic bistability and slow relaxation mechanism. Due to the large magnetic moment and magnetic anisotropy, rare earth SMMs have become hot topics recently. With its protective carbon cage, EMF encapsulated by suitable rare earth ion(s) is an emergent kind of SMM. Through rational design, a variety of methods will be used to enhance the coupling between paramagnetic ions and hence improve the performance of EMF-based SMM.

富勒烯包合物作为富勒烯家族的重要分支，以其独特的结构、新奇的性质和广阔的应用前景，吸引了众多研究者的目光，成为近年来化学、物理及材料科学领域的研究热点之一。新型富勒烯包合物的探索一直以来是富勒烯科学领域的研究重点，新结构的出现也能对丰富富勒烯种类和揭示其生成路径做出贡献。其中较为特殊的内嵌碳氮化物原子簇富勒烯鲜有报道，为填补此类金属富勒烯的大片空白，我们拟合成基于原子半径较大的稀土金属（如La、Gd、Dy等）的内嵌碳氮化物原子簇富勒烯，以期能得到具有新型结构和物理化学性质的产物。此外，单分子磁体因具有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。富勒烯碳笼具有保护作用，嵌入合适的顺磁性稀土离子可以构筑新型单分子磁体。利用多种方法增强顺磁离子之间的耦合作用，提升富勒烯包合物单分子磁体的性能。

富勒烯包合物因其内部包合金属离子或团簇而展现出与空心富勒烯不同的结构和性质，在生物医药、光电材料、分子磁体等领域有着重要的应用前景，成为富勒烯领域重要的研究方向。.本项目致力于富勒烯金属包合物的选择性制备及高效分离，对得到的新型富勒烯金属包合物的结构、磁性质、荧光性质等进行系统研究，同时探索结构与性质之间的规律，进一步认识富勒烯的形成机理，对新型分子的合成设计进行导向。.本项目通过优化合成条件，分离得到了 Gd3NC@D2(186)-C96、Dy3NC@D2(35)-C88 等内嵌碳氮化物原子簇富勒烯，结合理论计算对此类富勒烯包合物的稳定性和生成机理进行了研究；分离得到了 M2@C79N (M=Dy,Y)、M2N4@C81N (M=Dy,Y) 等多种氮杂碳笼富勒烯包合物，表现出较好的单分子磁体或分子基量子比特性质；通过笼外衍生得到了一系列内嵌铒富勒烯包合物 Er@C2n-R (2n=72,76,82)，对其近红外荧光性质进行了研究；分离得到了 Dy2O@C2n (2n=72,74,80,82,86,90) 等一系列氧化物原子簇富勒烯；此外，对一系列含铕富勒烯包合物 Eu@C2n (2n=74-90) 的自旋动力学进行了深入研究。