有机稀土基低核单分子磁性材料及磁构关系研究

In this project, a series of new Schiff base and β-diketonate organic compounds will be designed and synthesized through modifing their backbone by introducing some donor, withdrawing electronic or large steric hindrance substituents. The ligands with rigid and large steric hindrance can be used as co-ligands to construct a series of low nuclearity lanthanide-based complexes with simply structure units. We will focus on their single-molecule magnetic (SMM) properties and study the impact of the modification on ligand on the final local lanthanide-centered structure; study the influence of the controled surrounding ligand field especailly the electronic potential distribution of coordination atoms and the molecule symmetry on their slow relaxation of magnetization. Try to improve the single-molecule magnetic properties by introducing the diluted effect of diamagnetic transition metal ions and the probably magnetic exchange interaction between the paramagnetic transition and lanthanide metal ions. Moreover, to construct dinuclear lanthanide-based SMMs through bridging ligands and study the impact of the limited magnetic exchange transfer on their their slow relaxation of magnetization. To summarize the regularity and under the assist of quantum computing method to help us to undersdand and explain the source and mechanism of magnetic relaxtion; Try to confirm the key factors to promote the properties of SMMs of single lanthanide spin center. Finally, we hope to build the basic method to construct this low nuclearity SMMs and extract a series of lower nuclearity lanthanide-based SMMs with high anisotropy energy barriers and blocking temperature.

本项目拟利用希夫碱和β-二酮类有机配体多齿配位和骨架易修饰的特点，引入具有吸、推电子能力和较大空间位阻的取代基，利用配体的骨架刚性及空阻作用构筑局域配位环境简单易控的低核数稀土金属配合物。从其简单易掌握的结构出发研究配合物的单分子磁性质；研究配体修饰对稀土中心局域配位结构的调控作用；研究自旋中心周围配位场的可控布局，尤其是配位原子电势分布及局域的分子对称性等因素对其分子磁弛豫行为影响的基本科学问题；利用抗磁过渡金属的稀释作用和顺磁过渡金属与稀土间的磁相互作用以达到优化单分子磁性质的目的；利用桥联配体构筑双核稀土单分子磁体，研究自旋中心之间有限的磁交换作用对慢磁弛豫行为的影响；从中总结规律结合量子计算方法帮助理解和解释单分子磁弛豫的来源和机理等问题；明确对单核稀土自旋中心分子磁性起主导作用的关键因素；建立构筑此类稀土基低核单分子磁体的基本方法，筛选出具有高翻转能垒和高阻塞温度的分子磁性材料。

单分子磁体(SMM)是一类真正意义上由独立的、没有磁相互作用的单个分子构成的分子纳米磁性材料。不同于经典大块磁体表现出的长程有序铁磁性，单分子磁体中的每一个分子都相当于一块孤立的、传统意义的小条形磁铁，所以可以作为一类潜在的高密度信息存储型分子材料。同时单分子磁体还表现出量子磁化强度隧穿和量子相位干涉等量子效应从而使其有望应用在分子自旋电子学和量子计算等领域。鉴于单分子磁体广泛的应用前景，近年来相关研究发展迅猛，已成为融合诸多学科的前沿研究领域之一。本项目针对近年该领域近年来研究越来越多的稀土单分子磁体展开了系列工作，尤其在最近的两年稀土单分子磁体的翻转能垒已经超过了2000K，磁滞温度也历史性的超过了80K，这无疑为我们早日实现其应用造福人类社会注入了更加充足的信心。.项目中利用希夫碱和β-二酮等类有机配体多齿配位和骨架易修饰的特点，引入具有吸、推电子能力和较大空间位阻的取代基，利用配体的骨架刚性及空阻作用构筑局域配位环境简单易控的低核数稀土金属配合物。研究配体修饰对稀土中心局域配位结构的调控作用；研究自旋中心周围配位场的可控布局，尤其是配位原子电势分布及局域的分子对称性等因素对其分子磁弛豫行为影响的基本科学问题；利用抗磁过渡金属的稀释作用和顺磁过渡金属与稀土间的磁相互作用优化单分子磁性质；利用酚氧桥联配体构筑了系列双核稀土单分子磁体，研究自旋中心之间有限的磁交换作用对慢磁弛豫行为的影响；从中总结规律结合量子计算方法帮助理解和解释单分子磁弛豫的来源和机理等问题；明确了对单核稀土自旋中心分子磁性起主导作用的关键因素；建立构筑此类稀土基低核单分子磁体的基本方法，筛选出具有高翻转能垒和高阻塞温度的分子磁性材料，最高的翻转能垒达到了480K，磁滞温度达到了8K。此类材料具有制备容易，空气稳定性好，并且具有一定的模型/模块化稳定可重复性。其后续研究具有很大的发展空间，相信在不久的将来一定能够获得更大的突破。