近日,明升官网明升体育app技术大学杨上峰教授团队在单分子磁体领域取得重要进展,合成了首例含有镝-镝(Dy-Dy)共价键的双金属富勒烯,获得了具有强反铁磁耦合的高性能单分子磁体,其阻塞温度为目前报道的所有通过4f电子直接耦合的多核单分子磁体中的最高值。相关研究成果以“Short Didysprosium Covalent Bond Enables High Magnetization Blocking Temperature of a Direct 4f-4f Coupled Dinuclear Single-Molecule Magnet”为题发表于国际著名学术期刊《美国明升手机会志》。
有别于长程有序的传统磁性材料,单分子磁体(single-molecule magnet,简称为SMM)的磁性来源于分子本身,理论上一个分子就是一个独立的“磁畴”,因此在超高密度信息存储和量子计算领域具有广阔的应用前景。以镝(Dy)为代表的镧系金属具有强的磁各向异性,作为磁性中心可使SMM在磁阻塞温度下表现出慢弛豫行为。然而,在含有单个磁性中心的SMM中,量子隧穿效应的普遍存在加快了弛豫过程。为了提升SMM的阻塞温度,一个简单而有效的方法是再引入一个磁性中心,此时弛豫过程为翻转单个磁性中心的磁矩,因此需要翻越由磁耦合作用产生的额外能垒。但是由于4f轨道收缩,镧系金属之间的耦合通常都很弱。由此带来的明升体育app问题为是否可以通过镧系金属形成共价键的方式增强耦合作用。
图:通过Dy-Dy 共价键诱导的强磁耦合单分子磁体。
由全碳原子组成的封闭笼状富勒烯分子,为稳定上述特殊的镧系金属共价键提供了可能,所得到的内嵌金属富勒烯SMM具有明升手机和热稳定性高、可升华、分子和电子结构易于调控等特点。鉴于此,杨上峰教授团队通过真空电弧放电法合成了首例含有Dy-Dy共价键(键长仅为3.61 Å)的双金属富勒烯Dy2@C82。这一特殊成键性质导致两个Dy离子之间产生很强的反铁磁耦合作用(磁交换能垒为33.9 K),从而有效抑制了量子隧穿效应。Dy2@C82在25 K以下均能展现出SMM特征的磁滞现象,其弛豫时间100秒时对应的阻塞温度(TB,100s)达27.2K,为目前报道的所有通过4f电子直接耦合(不含单电子金属-金属键)的多核单分子磁体中的最高值。这一发现不仅展示了内嵌金属富勒烯在单分子磁体领域的优势,也为研究镧系金属的特殊成键性质提供了重要的明升体育app模型。
此前,胡子琦副研究员和杨上峰教授作为共同通讯作者还受邀为《Chem. Soc. Rev.》撰写了题为“内嵌金属富勒烯分子纳米磁体”的封面综述文章(Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 2863-2897)。
该论文的共同第一作者为明升官网明升体育app技术大学博士生辛金鹏和胡子琦副研究员,通讯作者为杨上峰教授和胡子琦副研究员。该项研究得到了国家自然明升体育app基金委、明升官网明升体育app院先导专项等项目的资助。
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