【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊上峰教授團隊在單分子磁體領(lǐng)域取得重要進展，合成了首例含有鏑-鏑(Dy-Dy)共價鍵的雙金屬富勒烯，獲得了具有強反鐵磁耦合的高性能單分子磁體，其阻塞溫度為目前報道的所有通過4f電子直接耦合的多核單分子磁體中的最高值。相關(guān)研究成果以“Short Didysprosium Covalent Bond Enables High Magnetization Blocking Temperature of a Direct 4f-4f Coupled Dinuclear Single-Molecule Magnet”為題發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》。
 

　　有別于長程有序的傳統(tǒng)磁性材料，單分子磁體(single-molecule magnet，簡稱為SMM)的磁性來源于分子本身，理論上一個分子就是一個獨立的“磁疇”，因此在超高密度信息存儲和量子計算領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。以鏑(Dy)為代表的鑭系金屬具有強的磁各向異性，作為磁性中心可使SMM在磁阻塞溫度下表現(xiàn)出慢弛豫行為。然而，在含有單個磁性中心的SMM中，量子隧穿效應(yīng)的普遍存在加快了弛豫過程。為了提升SMM的阻塞溫度，一個簡單而有效的方法是再引入一個磁性中心，此時弛豫過程為翻轉(zhuǎn)單個磁性中心的磁矩，因此需要翻越由磁耦合作用產(chǎn)生的額外能壘。但是由于4f軌道收縮，鑭系金屬之間的耦合通常都很弱。由此帶來的科學(xué)問題為是否可以通過鑭系金屬形成共價鍵的方式增強耦合作用。
 

圖：通過Dy-Dy 共價鍵誘導(dǎo)的強磁耦合單分子磁體。
 

　　由全碳原子組成的封閉籠狀富勒烯分子，為穩(wěn)定上述特殊的鑭系金屬共價鍵提供了可能，所得到的內(nèi)嵌金屬富勒烯SMM具有化學(xué)和熱穩(wěn)定性高、可升華、分子和電子結(jié)構(gòu)易于調(diào)控等特點。鑒于此，楊上峰教授團隊通過真空電弧放電法合成了首例含有Dy-Dy共價鍵(鍵長僅為3.61 Å)的雙金屬富勒烯Dy2@C82。這一特殊成鍵性質(zhì)導(dǎo)致兩個Dy離子之間產(chǎn)生很強的反鐵磁耦合作用(磁交換能壘為33.9 K)，從而有效抑制了量子隧穿效應(yīng)。Dy2@C82在25 K以下均能展現(xiàn)出SMM特征的磁滯現(xiàn)象，其弛豫時間100秒時對應(yīng)的阻塞溫度(TB,100s)達27.2K，為目前報道的所有通過4f電子直接耦合(不含單電子金屬-金屬鍵)的多核單分子磁體中的最高值。這一發(fā)現(xiàn)不僅展示了內(nèi)嵌金屬富勒烯在單分子磁體領(lǐng)域的優(yōu)勢，也為研究鑭系金屬的特殊成鍵性質(zhì)提供了重要的科學(xué)模型。
 

　　此前，胡子琦副研究員和楊上峰教授作為共同通訊作者還受邀為《Chem. Soc. Rev.》撰寫了題為“內(nèi)嵌金屬富勒烯分子納米磁體”的封面綜述文章(Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 2863-2897)。
 

　　該論文的共同第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生辛金鵬和胡子琦副研究員，通訊作者為楊上峰教授和胡子琦副研究員。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項等項目的資助。(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部)