分子磁体中的磁各向异性研究

Magnetic anisotropy lies in the center of the research of both the classical and molecular magnetic materials. Notwithstanding its high importance, knowledge on the magnetic anisotropy is still quite limited, especially for its efficient design and controllable manipulation. Detailed researches on the magnetic anisotropy are thus highly necessary. This project will be focused on the research frontiers of the molecular magnetic materials. Based on the foundations of the coordination chemistry and the symmetrical principle, we will investigate both the single-ion magnetic anisotropy and the anisotropic magnetic coupling in the molecular magnetic materials. Organic ligands with specific coordination environment and symmetries will be designed, aiming at the very big magnetic anisotropy of the molecular magnetic materials. Detailed investigations, including the magnetic measurement, EPR spectroscopy, rotation magnetic measurement on the single crystal and theoretical calculation, will be performed to thoroughly investigate the magnetic anisotropy of the obtained materials. The design, syntheses, structures, magnetic properties and the magneto-structural relationship of the resulting materials, including the single-molecule magnets, single-ion magnets, single-chain magnets and other materials with high magnetic anisotropy will be studied, which will hopefully lay a good foundation for the design and preparation of the new functional molecular magnetic materials.

磁各向异性不仅是分子磁体研究的中心，还处于整个磁性材料的前沿领域。然而，人们对磁各向异性的理解还不够深入，更重要的是对磁各向异性的设计和调控还相当欠缺，亟需进行更加细致的研究。本项目计划立足于分子磁性材料的研究前沿，从单离子磁各向异性和各向异性磁交换这两方面着手，以配位化学的基本原理为基础，从对称性原则出发，设计合成能够导致大的磁各向异性的、具有特定的配位环境及对称性的有机配体，构筑具有大的磁各向异性的分子磁性材料，通过磁测量、EPR光谱、单晶转动磁测量、理论计算等多种实验理论方法系统研究其中的磁各向异性，研究由此构筑的单离子磁体、单分子磁体、单链磁体、及其它具有较大各向异性的分子磁性化合物的性质，研究它们的制备、结构、性质、磁－结构相关等基本科学问题，为设计合成新型分子磁性材料打下基础。

磁各向异性在分子磁体材料，尤其是分子纳米磁体中具有至关重要的作用，对其合理设计和调控有望获得性能优良的分子磁性材料。本项目从对称性原理出发，通过控制单离子磁各向异性及各向异性磁交换的策略，获得了多个具有大的磁各向异性的金属配合物，如单离子磁体、单分子磁体及单链磁体等双稳态分子磁性材料，通过对其中的端基分子、桥连配体、客体分子等的调节和组装，研究并调控其磁各向异性及磁学性能，通过多种实验方法和理论计算等对它们的磁各向异性及其磁结构相关进行了深入的分析和研究。具体成果包括：通过五角双锥构筑块，构筑了系列具有单离子磁体、单分子磁体、单链磁体及三维磁有序材料，通过对它们的配位调节和组装，研究其磁各向异性及其性能；构筑了同时具有自旋交叉及单分子磁体性能的复合体系；通过在体系中的客体分子的调控，实现了动态可调的多功能分子磁性材料，如单分子磁体开关以及可以在自旋交叉及单分子磁体性能间进行动态调控的分子磁性配合物；构筑了系列由叠氮、氰根等桥连的单链磁体，如同时具有单链磁体、反铁磁有序、自旋倾斜及变磁性质的单链磁体，并可通过阴离子、端基配体等调节其单链磁体性质；获得两例氰基桥连单链磁体中最高能垒的单链磁体；通过详细的单晶磁性测量表征了一列由叠氮桥连稀土离子而得的单分子磁体，对其磁各向异性及磁结构相关性质进行了详细深入的研究；设计合成若干具有桥连能力的新型空气稳定自由基，并以此构筑了系列新型分子磁性材料，包括首例氮氧自由基桥连钴、钬、饵等单分子磁体等。以通讯作者发表标注基金号论文30篇。本项目的研究加深了人们对分子磁体中的磁各向异性的理解，为新材料开发提供了实验依据和理论基础。