单分子磁体的研究进展

淮南师范学院2011届本科毕业论文1单分子磁体的研究进展学生：施张胜指导老师：王晓玲淮南师范学院化学与化工系摘要：单分子磁体为纳米尺寸，磁特性源自单个分子的内部,可以独立地作一个磁功能单元，是突破尺寸对传统磁体性能制约的一条连径。已知单分子磁体基本上是含Mn、Fe、V、Cr和一些其他金属元素的簇合物，有望用来制造分子器件、磁存储材料等。本文介绍了一些典型的单分子磁体的研究和发展趋势。关键词：单分子磁体；金属簇合物；磁性ProgressofResearchonSingleMolecularMagnetsStudent：ShizhangshengSupervisor：WangxiaolingDepartmentofChemistryandChemicalEngineeringofHuainanNormalUniversityAbstract：SingleMolecularMagnets(SMM)couldactasindependentmagnetieallyfunctionalunitssincetheyarenano-sizedcompoundmoleculesandmolecularclusters.Therelatedmagneticpropertiesareattributedtothemetallicionsinteriorofmolecule,whichindicatesthedimensionrestrictfortraditionalmagnetscouldbesurmotmted.SMMsrepresentativelycontainmetalclusterssuchasMn,Fe,VandCretc,andcanpotentiallybeusedtoproducesuchasmoleculardevicceandmagneticrecordingmaterials,TheprogressofresearchonSMMSareintroducedthispaper.Keywords:SingleMolecularMagnets;clusters;magnetism前言2单分子磁体的研究进磁学是物理学中一个古老的重要分支，磁性材料的应用也为人类社会的发展带来了巨大影响。长期以来，人们更多研究的是传统磁体的性质，主要是合金与金属氧化物、金属配合物基于三维扩展晶格的长程作用，在畴结构排列下产生的宏观磁性能[1]。近年，作为新兴的理化交叉学科，以探索开壳层分子及开壳层分子聚集体所体现出来的磁特征为目的分子磁学越来越受到人们的关注。在这一领域中。单分子磁体由于身为独立的纳米磁单位，具有众多奇异的性能，所以更是成为了研究热点[2]。单分子磁体是涉及合成化学、材料科学和凝聚态物理等边缘学科的一个新颖课题。单分子磁体，当我们有这样的一个晶体：其分子内部的交换相互作用极强，分子可看成有确定自旋的对象；分子间距离较远，相互作用很弱，可看成独立的全同分子；晶体的整体性质是全同分子性质的叠加。于是晶体的磁性质可表现出单个分子的磁性质。所以，我们只研究晶体中的一个分子的磁性，便可知晶体的磁性，我们称这种研究对象为“单分子磁体”（Single-MoleculeMagnets，简称SMMs）。当SMM晶体在温度很低的情况下，其磁滞回线却出现了令人惊叹的奇妙变化。磁滞回线中，出现了阶梯状。这表达了一单分子磁体，当我们有这样的一个晶体：其分子内部的交换相互作用极强，分子可看成有确定自旋的对象；分子间距离较远，相互作用很弱，可看成独立的全同分子；晶体的整体性质是全同分子性质的叠加。于是晶体的磁性质可表现出单个分子的磁性质。所以，我们只研究晶体中的一个分子的磁性，便可知晶体的磁性，我们称这种研究对象为“单分子磁体”（Single-MoleculeMagnets，简称SMMs）。当SMM晶体在温度很低的情况下，其磁滞回线却出现了令人惊叹的奇妙变化。磁滞回线中，出现了阶梯状。这表达了一种量子现象，宏观物体的物理性质“磁化强度”出现“量子化”，所以此现象是一种“宏观量子现象”[3]。从材料科学观点来看，当其研究对象是由化学键结合在一起的原子集合体所形成的单一分子时，我们称它为纳米簇合物材料(nano-clustermaterials)，或更广义地称之为纳米分子材料[4]。1单分子磁体的产生四十年以来，研究者在铁磁体、亚铁磁体的设计与制备中广泛引入顺磁性分子作为构筑单元，开创了所谓的分子基磁体学。1967年Wiekman等人[5-6]对第一个分子基磁体进行了报道。他们发现[Fe(dtc)2Cl]分子具有的基态自旋，在时结晶状态中呈现铁磁有序。1987年JoelS.Miller、ArthurJ.Epstein等[7-8]人宣布[Fe(Cp*)2][TCNE]粒子的铁磁有序温度为TC=4.8K。此后,其它若干分子基铁磁体相继被发现,其中一些的有序温度达到了室温[9]。淮南师范学院2011届本科毕业论文31993年.RobertaSessoli、HuiLienTsai等[10]发表了关于单分[Mn12Ol2(O2CR)16(H20)4]低温下具有超顺磁的的文章.像这样的纳米簇合物被命名为单分子磁体(SingleMolecularMagnets,SMM)，开创了分子基磁体的一个纳米尺度的分支。此类化合物簇单元中的所有磁性金属离子的自旋都有序排列(如图1,箭头指向代表外磁场作用下磁矩的取向)，磁矩反转需要克服较高能垒，故而每一个离散的大分子都独立拥有磁性。图1[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]原子簇的核结构示意2主要单分子磁体的性能原理由存在着多种交互作用的磁性单分子的简单哈密顿表达式:∏8=D·Sz2+ｇβH+∑Ji,jSj·S图2基态自旋为S的单分子[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]磁体在零场下的能级图对于高自旋分子,在不着重考虑赛曼效应和分子内自旋磁耦合(分别对应于式中右侧第二、三项)的情况下。零场分裂引起的能量变化便成了决定性影响因素。零场分裂导致了高自旋基态的负磁各向异性，使最大自旋态s所对应的能量最低，和间的跃迁即单分子磁体在磁化时分子内粒子磁矩反转所需克服的能垒较高(如图2)。正是由于高能垒，低温下分子自旋和磁矩反转极为缓慢。出现磁弛豫现象。该能垒低于按热激发模型计算所得到的理论能垒。于是在一定高温度下，分子内粒子具有足够的反转能量,磁矩会在正、负方向上快速振荡，分子表现出顺磁行为。而当温度低于阻塞温度(BlockingTemperature)时。无法反转的磁矩将被固定在某一方向。4单分子磁体的研究进图350、250、lO00Hz外场下[Mn12O12(O2CCHC12)8(O2CCH2Bu,)8(H2O)3]单分子磁体的交流磁化率温度曲线一般顺磁分子的磁弛豫速率高达ns级，可以与外加交流磁场保持相的匹配。但如果外场很强或者样品较大即样品体内同步性较差，那么我们便可以观察到一定的异相(虚部)磁化率信号。图3上下两图分别描述50、250、1000Hz交流磁场中单分子磁体[Mn12O12(O2CCHC12)8(O2CCH2Bu’)8(H2O)3实部(同相)磁化率、虚部(异相)磁化率随温度的变化。可以看到,该样品虚部磁化率对温度的极值与外场频率相关，并且虚部磁化率的极值温度落在实部磁化率温度曲线上下两拐点问的陡变区内，这类现象先后被M.A．Novak、AubinS.M.J．等[11-12]人认为是超顺磁性的体现。根据报导，单分子磁体的品态样品，与多品样品以及通过溶液冻结法或聚合物包埋粉体法制得的固化样品，其磁滞回线和交流磁化率结果等磁学行为是相同的[13]。这就证明单分子磁体的磁特性并不依赖于分子问排列的长程有序和交互作用，而可以源自单个分子的内部所以单分子磁体可以独立地作为一个磁功能单元。3几类典型单分子磁体到目前，已知典型的单分子磁体基本上是含Mn、Fe、V、Cr和一些其他金属元素的簇合物，且以高核簇为多。Mn、Fe、V、Cr等的离子未成对d电子较多，同时有多种不同价态可以在同一簇合物分子内形成两种磁性中心，零场分裂效应也较强,适合于形成高白旋分子，从而趋向于获得比较强的磁性。3.1Mn离子簇单分子磁体淮南师范学院2011届本科毕业论文5图4[Mn12O12(O2CCH3)16(H2O)4]·2(CH3COOH)·4H2O构型示意图Mn离子簇单分子磁体研究较先开展，其代表物Mn12，的通式[Mn12O12(O2CR)16(H2O）4],是相对而言工作温度最高的单分子磁体。C.Delfs等[14]人认为磁各向异性引起了Mnl2的超顺磁性表现。图4是[2(CH3COMn12O12(O2CCH3)16(H2O)4]·OH)·4H2O构型示意图，其核心是一个[MnIV4O3]立方烷结构,外围由8个MnⅢ离子通过μ3-O2-桥连成环，MnⅢ-MnⅣ间反铁磁耦台作用明显。除了这样的Mn12型,还有Mn4、Mn5、Mn6、Mn7、Mn8、Mn9、Mn10、Mn18、Mn22、Mn25、Mn26、Mn30、Mn84等，都受到不同程度的关注。3.2Fe离子簇单分子磁体图5[Fe8O2(OH)12(tacn)6]8+构型示意图(tacn：1,4,7-三氮杂环壬烷,三氮大环)在Mn12奇特的磁学特性被发现之后不久，人们发现了一种新的单分子磁体Fe8。图5描述的是[Fe8O2(OH)12(tacn)6]8+构型中磁距的有序排列。在该簇中，4个FeⅢ离子通过含O桥连形成“蝴蝶结构”，而“蝴蝶结构”再通过OH桥连与另外四个FeⅢ联结；反铁磁耦合与簇的拓扑交换使得Fe8在基态具有极高的自旋。在Fe簇系列中，人们还进一步开展了广泛的工作。OshioH．及其合作者[15]提出了立方四核型单分子磁体Fe4。RumbergerE.M．[16]研究组的工作表明[Fe6F6(edea)6]的强反铁磁交互作用致使基态。GatteschiD．[17]在文章中也提到了对E％小环在高场下的磁数据的报导，及用Hamihonlan矩阵计算出的相应能级值与实测值的良好吻合；同时他还指出轮环型Fe10具有理想的激发态能级。此外，Fe11、Fe12、Fe16以及更大的Fe簇合物都有文献介绍。6单分子磁体的研究进3.3V、Cr离子簇单分子磁体图6[V4O2(O2CEt)7(bpy)2]+的ORTEP作图(bpy：2,2(-联吡啶)图7[Mn2Ni2Cl2(salpa)2]的ORTEP作图[salpa:N-(2-羟苄基)-3-一氨基-1-丙醇]对单分子磁体的构成而言,Ni也有不可忽视的表现。图7是[Mn2Ni2Cl2(salpa)2]的ORTEP作图，NiⅡ和MnⅢ组成了不完全共面的双立方结构，而且已测得整个簇合物有台阶形磁滞回线。另一种含[Ni21(cit)12(OH)10(H2O)10]16-的低基态自旋分子在毫开(mk)温度范围内显示出了慢弛豫行为。图8[CuⅡLTbⅢ(hfac)2]2构型示意图(hfac：六氟乙酰丙酮)OsaS．等[18]在将[NiⅡLTbⅢ(hfac)2]2和[CuⅡLTbⅢ(hfac)2]2进行对照的研究，表明这样的多核分子是非常有前途的研究点(如图8)。IshikawaN．[19]宣布了[Pc2Ln]-的合成和表征结果,提出了不同于传统的双配位场中镧系离子的轨道和自旋共同致磁机制(如图9)。淮南师范学院2011届本科毕业论文7图9[Pc2Ln]-配位场示意图(Ln:Tb，By，Ho,Er,Tm，Yb)图10{Co9[MV(CN)8]6·(CH3OH)24}(M=W，Mo)构型示意图2005年游效曾小组[20]又公开了自旋轨道耦合的八氰某金属配合物(如图10)，{Co9[MV(CN)8]6·(CH3OH)24}。值得一提的是，较早时就有一些巨核磁性分子出现，如Pt、Ni38、Pd561,但目前没有明显性能突破。结语单分子磁体的研究历史并不悠久，但是成果是令人瞩目的，从学术角度讲，多种磁性单分子的发现证明了经典效应和量子效应能够共存，通过这类物质可