铁-稀土单分子磁体的设计合成及其磁构关系研究

Single molecule magnets (SMMs) have potential applications in high-density information storage, quantum computing and spintroic devices. One compound can be described as SMM when it possesses large spin ground state and magnetic anisotropy. The iron ions can offer high spin, while the heavy lanthanide ions present large magnetic anisotropy, thus the combination of iron and lanthanide ions in one coordination cluster increases the chance to obtain SMM behavior. However, the blocking temperature and the energy barrier of iron-lanthanide SMMs are still very low and the incorporation of lanthanide ions in iron-lanthanide coordination clusters increases the difficulty in understanding the magneto-structural relationship of the resulting compounds. The goal of this project is to prepare iron-lanthanide coordination clusters by employing polyethylene glycol as ligand and carboxylic acid as co-ligand, and then to improve the blocking temperature and energy barrier of iron-lanthanide SMMs by enhancing the interactions between iron and lanthanide ions and tuning the magnetic anisotropy of lanthanide ions via changing the bridging groups between iron and lanthanide ions and the substitution of co-ligand. Furthermore, the contribution of magnetic anisotropy of lanthanide ions in iron-lanthanide SMMs will be explored by using Mössbauer spectroscopy, which will lead to the better understanding of the magneto-structural relationship of iron-lanthanide SMMs.

单分子磁体在高密度信息储存、量子计算、自旋电子器件等方面具有潜在的应用价值。高的自旋和显著的磁各向异性是产生单分子磁体的两个必要条件。铁离子具有较高的自旋，而重稀土离子呈现出显著的磁各向异性，所以把两者有机地结合到一个配位簇合物中有助于提高得到单分子磁体的概率，但是铁-稀土单分子磁体的阻塞温度和有效能垒还比较低，而且稀土离子的引入增加了其磁构关系理解的难度。本项目拟利用多甘醇为配体，有机羧酸为辅助配体来实现铁-稀土配位簇合物的组装，探索通过铁-稀土离子之间桥连基团的改变和辅助配体的取代来增强铁-稀土离子之间的交换作用和改变体系中稀土离子的磁各向异性，从而提高铁-稀土单分子磁体的阻塞温度和有效能垒。与此同时，通过穆斯堡尔能谱对体系中稀土离子的磁各向异性进行研究，探讨稀土离子的磁各向异性在铁-稀土单分子磁体中发挥作用的机制，进而加深对铁-稀土单分子磁体磁构关系的理解。

单分子磁体的发现是分子磁性材料领域最重要的突破之一。单分子磁体的性能与基态自旋和磁各向异性密切相关。铁离子具有较高的自旋，而稀土离子拥有较强的磁各向异性，两者有机结合可有助于提高获得单分子磁体的概率。但是由于不同金属离子的竞争和稀土离子的复杂磁各向异性，对铁-稀土单分子磁体的构筑和含稀土离子单分子磁体磁构关系的理解仍有一定难度。本项目利用含全氧给体的多甘醇和有机羧酸为配体成功制备了系列铁-稀土配合物，对铁-稀土配合物的组装规律有了一定的认识，可为铁-稀土单分子磁体的设计合成提供参考。通过配体量和碱的控制，获得了具有不同配位环境的铁-稀土配合物，并利用配位环境的差异，调控了它们的磁弛豫行为，提高了铁-稀土单分子磁体的性能。证明了交流磁化率和穆斯堡尔谱相结合的方法可用于研究铁-稀土单分子磁体中稀土离子的磁各向异性。这个方法的应用不但能缓解稀土离子磁各向异性的研究对大块单晶和理论计算的依赖，还能加深对铁-稀土单分子磁体磁构关系的理解。获得基于磺酸配体的首例纯稀土单分子磁体，对单分子磁体的构筑有一定的指导作用，增加了获得单分子磁体行为的途径。通过配位环境的改变和不同阴离子的引入调控了稀土单分子磁体的单分子磁体行为和结晶模式，为手性单分子磁体的制备和单分子磁体的多功能化提供理论和实验依据。这些结果对铁-稀土或者稀土单分子磁体的可控合成、性能调控和磁构关系的理解具有指导意义。