具有特殊对称性的稀土-过渡金属配合物的磁各向异性研究

Single-Molecule Magnets (SMMs) have attracted considerable interests due to their potential applications as quantum computation and high density information storage materials, as well as that it is convenient to design, decorate and regulate the structures and performance of them. Remarkable progress with SMMs has occurred, but the practical application of them is limited by the not high temperature of magnetic relaxation and the presence of quantum tunnelling of the magnetization (QTM). In this project, firstly, we will choose and synthesize a serial of ligands that possess special local symmetry and would selectively chelate rare earths and transition metals through their different pore size. Secondly, new d-f type single-molecule magnets with special local symmetry are developed by combining the ligands with the spin carriers (such as Mn(III), Co(II), Tb(III) and Dy(III)) that possess magnetic moment and magnetic anisotropy. By adjusting the local symmetry of coordination of spin carriers, the energy barrier and applicable temperature of SMMs would be improved. In the meantime, the relatively strong magnetic interactions between the lanthanides and transition metals are introduced to inhibit the QTM so as to enhance the performance of SMMs. The results of the project will provide a new thought for constructing SMMs, and contribute the preliminary theoretical basis and experimental support for the practical application.

单分子磁体，因为其在量子计算和高密度信息储存上的潜在应用，加之其便于被设计合成、结构修饰和性能调控等一系列优点，备受化学家、物理学家和材料学家们的关注。近年来单分子磁体研究领域已然有了长足的发展，而不够高的磁弛豫温度和存在的磁量子遂穿效应限制着单分子磁体的实用化。本项目拟将选择和合成一系列具有特殊配位对称性（如C3、C5、C6等）并且对稀土和过渡金属有选择性配位的螯合配体，与Mn(III)、Co(II)、Tb(III)、Dy(III)等兼具有大的自旋值和磁各向异性的自旋载体组装，构筑具有特殊对称性的稀土-过渡金属多自旋磁交换的配合物。通过调节自旋载体的配位对称性来调控单分子磁体的自旋翻转能垒以及相应的磁弛豫温度，同时利用稀土和过渡金属之间较强的磁交换来抑制量子隧穿效应，从而提高单分子磁体的性能表现。研究结果将为构筑单分子磁体提供新的思路，为其实际应用提供前期的理论依据和实验支持。

因为单分子磁体在高密度信息储存和量子计算上的潜在应用，加之其便于被设计、合成、结构修饰和性能调控等优点，近年来备受科学家们的广泛关注。本项目的主要研究内容主要分为以下三部分：1）探究了多核镝单分子磁体的结构变化与磁交换态转变之间的关系，从头算计算结果表明，磁交换态的转化是由于结构微变对Dy(III)离子之间的偶极相互作用和交换相互作用的影响程度不同造成的。另外值得注意的是，铁磁交换化合物的弛豫性能明显好于反铁磁交换化合物。这对调控多核镝化合物的磁交换以及弛豫性能起到了一定的指导作用；2）发现了在室温常压的温和条件下，起始配体可以捕获空气中的二氧化碳原位形成一新的有机配体，另外，通过配位溶剂的选取可以有效提高多核稀土镝单分子磁体的性能，该工作丰富了构筑单分子磁体上的配体合成选择，以及为如何提高性能提供了实验指导；3）利用功能性硫醚类配体构筑了两例稀土配合物，其中铕化合物可以作为荧光探针，而镝化合物呈现出单分子磁体性质，这部分工作说明这一新颖的硫醚配体可以用来构筑多功能的配合物材料。总体上项目的进展较为顺利，执行过程中发表第一通讯作者的论文三篇，另有合作论文若干。研究生培养上，协助联合培养了一名博士与一名硕士，二人皆顺利毕业。目前硕士在读学生三名。目前的研究进展为以后的工作奠定了基础，有信心可以承担并完成将来的项目。