中國科大在單分子磁體領域取得重要進展

近日，中國科學技術大學楊上峰教授團隊在單分子磁體領域取得重要進展，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”為題發表于國際著名學術期刊《美國化學會志》。

有別于長程有序的傳統磁性材料，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域具有廣闊的應用前景。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單個磁性中心的磁矩，因此需要翻越由磁耦合作用產生的額外能壘。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，為穩定上述特殊的鑭系金屬共價鍵提供了可能，所得到的內嵌金屬富勒烯SMM具有化學和熱穩定性高、可升華、分子和電子結構易于調控等特點。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 ?）的雙金屬富勒烯Dy2@C82。這一特殊成鍵性質導致兩個Dy離子之間產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。Dy2@C82在25 K以下均能展現出SMM特征的磁滯現象，其弛豫時間100秒時對應的阻塞溫度（T_B,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。這一發現不僅展示了內嵌金屬富勒烯在單分子磁體領域的優勢，也為研究鑭系金屬的特殊成鍵性質提供了重要的科學模型。

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技術大學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基金委、中國科學院先導專項等項目的資助。

附文章鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c04429