单离子磁体的定向构筑及结构微扰对其性能调控研究

Molecular nanomagnets are not only the bridge between classical mechanics and quantum mechanics, but also of potential applications for high-density information storage and quantum computing. Single-ion magnets (SIMs), one of molecular nanomagnets, have been the focus of attention in recent years due to their tractable magnetic anisotropy and excellent magnetic property, being the ideal model for the magneto–structural relationship. Herein, we aim to construct SIMs rationally and optimize SIM performance through the magneto–structural relationship, from the slow magnetic relaxation control via the organometallic chemistry. The main contents of research are as following: (1) Directional construction of novel SIMs, to improve the cognitive ability in traditional SIMs. (2) Systematic design, synthesis and magnetic study of SIMs, by controlling variables oriented towards the metal ion, coordination number, local symmetry and field strength, to improve the relationship between ligand field and SIMs. (3) Study of structural perturbation on the fine-tuning SIM performance, when the magnetic units remain unchanged. (4) Research on magneto–structural relationship in SIMs, to not only enhance the knowledge of basic theory, but also direct to SIMs with high performance as future device components for high-density information storage and processing materials.

分子纳米磁体不仅是经典力学和量子力学的桥梁，而且在高密度信息存储、量子计算机等方面具有潜在的应用价值。其中，单离子磁体由于易控制的磁各向异性和优秀的磁性能，成为近年来关注的焦点，是研究磁–构关系的最佳理论模型。本项目拟通过金属有机的化学方法对单离子磁体的慢磁弛豫过程进行调控，目的是通过磁–构关系提出规律，为理性构筑单离子磁体以及优化单离子磁体性能提供导向。主要研究内容包括：(1)定向构筑新颖的单离子磁体，提高对传统单离子磁体的认知；(2)以金属离子、配位数、局域对称性和配体场强弱四种因素为导向，控制变量，系统设计、合成和研究配合物的单离子磁体性质，完善配体场和单离子磁体的关系；(3)保持磁性结构不变，通过结构微扰，研究其对单离子磁体性能的精细调控作用；(4)单离子磁体磁–构关系的研究，这既能为基础理论提供新的认知，又能导向高性能信息存储与量子调控材料的高效构建。

单分子磁体是一类能像宏观磁体一样在低温下保持它们磁化强度的分子材料，因其特殊的磁学性质引起了各学科的广泛关注。从科学研究角度讲，单分子磁体使我们能够进一步了解经典和量子磁现象的相互影响。从应用技术角度讲，单分子磁体在高密度信息存储和量子计算方面都具有潜在的应用前景。目前该分子材料的可操作温度都较低，主要研究精力集中在设计合成具有更高能垒和更高磁滞回线温度的单分子磁体体系。该项目以单离子磁体为出发点，通过金属离子、配位数、局域对称性和配体场强弱四种结构因素为导向，定向构筑单离子磁体，并通过磁性结构的微扰，对单离子磁体性能进行调控。具体而言，我们合成了首例平面四配位的单离子磁体，同时其又是鲜见文献报道的铬基单离子磁体。通过对配合物中配位溶剂分子的改变，发现在这种配位环境下，配位溶剂分子对磁各向异性的影响非常微弱。同时，我们构筑了系列具有C5对称轴的单核镝配合物，磁性测试分析表明这些单离子磁体的能垒随着轴向强场配体个数的增加而翻倍增加，成为增大能垒的切实途径。此外，我们还揭示了基于冠醚配位的不同对称性对于稀土磁各向异性的影响，强配位键对镝基单离子磁体性质的影响等。.进而我们引入磁交换作用第五种因素，将单离子磁体体系拓展到单分子磁体体系，开展了异金属和纯稀土簇的合成和磁性研究。进一步，将磁性金属离子通过桥联配体连接，得到了一例具有单链磁体行为的一维铁链。再进一步，将具有铁磁作用的Co3簇作为结构基元组装成反铁磁Kagomé格子，通过拓扑组装的方法合成了一例磁性金属有机框架。.总体而言，该项目开发了若干例新型单离子磁体，并通过结构的扰动来调控单离子磁体性能，并且将单离子磁体体系进行了丰富和拓展，对今后的分子磁体研究都有很好的指导作用。在此项目的资助下，已正式发表SCI论文9篇，以第一作者或者通讯作者发表论文4篇，包括ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., Inorg. Chem., Dalton Trans.。此外，为世界出版社Springer著书一章，现已出版发行。