过渡金属钒(钼)酸盐类低维磁性材料的设计合成与性能研究

Low-dimensional magnetic materials have attracted much attention due to their exotic quantum magnetic behaviors. The project focuses on the design and synthesis of low-dimensional magnetic materials of transition metal vanadate and molybdate based on the assembly of magnetic centers, vanadium/molybdenum oxide polyhedra, interval cations or halide. From this strategy, some low-dimensional magnetic transition metal vanadate and molybdate with different types of structures will be prepared, and their quantum ground state and quantum phase transition will be further studies. We will discuss the relations between structures and magnetic properties, understand the assembling process of structural components, to summarize the relationships of magnetic properties, structures and synthesis, providing new insights for the design and synthesis of low-dimensional materials.

低维磁性材料由于其独特的量子磁现象成为当今世界研究的热点领域之一，设计合成新型低维磁性材料及确认和理解其基态性质、相变规律是研究的重点和难点。本项目以设计合成具有不同结构类型的过渡金钒(钼)酸盐类低维磁性材料为目标，研究其低温区的量子基态及量子相变。首先，应用结构设计思想，利用磁性中心离子、钒酸根或钼酸根桥连基团进行组装，同时引入大半径的间隔阳离子切断磁单元间的交换作用，并首次尝试引入卤素离子，合成具有不同结构类型的低维磁性化合物，研究其量子基态和量子相变。同时，研究量子磁现象与结构之间的相互关联，探索各结构构筑单元在诱导合成低维化合物过程中的组装规律，总结磁性-结构-合成三者之间的关系与规律，发展一套无机钒(钼)酸盐类低维磁性材料的设计方法和定向合成路线，为合成新型低维磁性材料提供新思路。

由于自旋量子效应的存在，低维磁性材料会出现与三维磁性材料不一样的、奇特的磁现象，例如自旋能隙、自旋玻璃和自旋液体等。但是，设计合成新型低维磁性材料及确认和理解其在低温区的磁行为及其与磁结构之间的关系与规律是研究的重点和难点。鉴于钒酸根在构筑低维磁性化合物中的重要作用，通过利用钒酸根与过渡金属离子组装，同时引入间隔阳离子或卤素离子，通过它们的协同作用，可以设计合成过渡金属钒酸盐类低维磁性材料。另一方面，SO4和含孤对电子ψ-SeO3和ψ-TeO3等具有钒酸根类似的四面体构型的含氧酸根同样可以有效的诱导形成低维磁性材料。同时，利用SO42-和SeO32-(TeO32-)基团的协调效应(悬挂键和孤对电子效应)可以有效的构建含有双阴离子基团的低维渡金属化合物。通过以上两个研究策略，预期合成出一系列具有低维磁结构单元的新型化合物，研究其在低温区的磁相变，探索磁性与结构之间的关系，为探索磁性-结构-合成三者之间的关系与规律提供新的思路。本项目在实施期间，圆满的完成了预期任务，合成了一系列新型低维磁性化合物，例如V2(HPO3)3(二聚体)，SrMn2(VO4)2(H2O)2，Pb2Co(OH)(V2O7)Cl，Pb2Mn(VO4)2(OH)(线性链), Cu5(VO4)2(OH)4(1/6 删除的三角格子)，Cu13(VO4)4(OH)10F4(Kagome格子和三角格子), NaKV4O9•2H2O(1/5删除的四方格子)， Na2Cu7(SeO3)4O2Cl4([Cu7O14Cl4]18-簇), A2Cu5(TeO3)(SO4)3(OH)4 (A=Na, K)(一维kagome stripe), BiOCu2(XO3)(SO4)(OH)•H2O [X = Te，Se] (octa-kagome格子)等等。通过对合成化合物的结构和磁性表征与分析，证明我们设计的合成路线是可行的。在该基金的资助下，我们在Jacs, Inorg. Chem., Dalton Trans.等国际期刊杂志上共发表论文16篇，还有部分研究结果尚在整理中。