同步辐射GI-XAFS/XES技术研究分子基薄膜体系的磁性调控机制

Recently, molecular-based ferromagnetic thin film system has been paid great attention due to its potential application in the field of spin-electronic device. However, the relation between its magnetic behavior and structure/electronic structure is not resolved yet. In present proposal, two advanced techniques based on synchrotron radiation (SR) light source including grating-incident X-ray absorption fine structure (GI-XAFS) and Hard X-ray emission spectroscopy (XES) will be employed to study the local structure of spin-center in the interface, electronic configuration of spin-center and magnetic property of such system, exploring the impact of the metal-ligand bond length, the kind of ligands and substrates and the level of molecular orbitals on the magnetic exchange interaction. As a rapid developing and cutting-edge technique, XES has been widely applied in the characterization of the spin and electronic structure in the condition of solution and high-pressure. We will improve analysis method for the XAFS and XES data by introducing the density of functional theory calculation, promoting the application of such techniques in multi-field.

分子基薄膜磁性体系由于其在自旋电子学领域中巨大的潜在应用价值而受到了人们的广泛关注。但是受限于实验手段，目前关于不同基底、配体对该体系中磁性调控的结构、电子结构机理尚不清晰。在拟申请课题中，我们将利用基于同步辐射的掠入射X射线吸收精细结构（GI-XAFS）、硬X射线发射谱学（XES）结合第一性原理计算系统地表征常温、常压下这类体系中界面上自旋载体中心的局域结构、电子结构、磁性，重点探索基底材料、配体种类、金属-配体键长、分子轨道能级位置及电荷转移等因素影响磁交换作用的机理。XES方法是目前发展较为迅速的技术手段，由于其不受真空等条件的限制，可以广泛应用在溶液、极端条件下的材料磁性、电子结构的表征中，在国内的发展也才处于起步阶段。在本课题中，我们重点发展XAFS与XES技术联用时的数据处理方法，对于推动该方法在各个学科中的应用有着积极意义。

过渡金属配合物/金属基底薄膜体系由于其在自旋电子学领域中巨大的潜在应用价值而受到了人们的广泛关注。目前该体系的研究中仍存在几个关键的基础性问题：1）. 几种重要的过渡金属配合物分子基态性质仍存在争议；2）. 金属基底对于配合物分子的自旋调控机制目前尚不清晰。这些关键科学问题的解决将有利于该领域的发展。在本课题中，我们利用同步辐射过渡金属L边吸收谱（L-edge XAS）、磁圆二色（XMCD）以及X射线发射谱（XES）结合第一性原理计算系统地研究了MPc (M=Mn、Fe、Co、Ni) 分子基态性质以及Ni、Au、Ag等金属基底对于配合物分子的电子结构的影响，重点揭示基本电子结构参数、成键性质、基态电子组态、基态能量稳定性以及基底对于分子中过渡金属离子电子组态的影响等内容。此外，过渡金属L-edge XAS、XMCD、XES这类具有原子多重谱线特征的光谱目前在数据计算模拟方面仍存在较大困难，尚没有成熟的商用化软件可以使用，国内处于空白状态，相应的数据只能作“定性分析”。针对此问题，我们基于组态相互作用团簇模型开发了相应的计算程序，该项成果对于推动这些重要的同步辐射谱学手段在各个学科中的应用有着重要意义，对国内用户有着极大的帮助。此外，利用该课题我们在上海光源BL14W1线站搭建了一套淬冷及低温装置，有效解决了配合物分子的X射线辐射损伤以及提高数据质量。