中國科大發(fā)現(xiàn)磁性交換新機制實現(xiàn)高居里溫度和強磁性二維鐵磁分子材料

最近，精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室吳長征教授課題組發(fā)現(xiàn)有機分子與無機結(jié)構(gòu)形成磁性交換新機制，獲得高居里溫度（>; 400 k）和強磁性（4 emu.g-1）的二維鐵磁分子材料。相關(guān)研究成果以“room-temperature long-range ferromagnetic order in a confined molecular monolayer”為題于2024年1月10日在線發(fā)表在《自然?物理》雜志上（nature physics 2023, doi: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02312-z）。

如何操控分子間相互作用實現(xiàn)長程自旋有序在理解和調(diào)控微觀尺度的磁性行為以及開發(fā)新型宏觀磁性材料和器件方面具有重要意義。然而，溫度和環(huán)境對分子磁性行為和自旋有序的形成起著決定作用。高溫下，熱漲落會破壞自旋有序使分子間交換作用失效。根據(jù)mermin-wagner理論預(yù)言，二維系統(tǒng)不存在長程自發(fā)磁有序。因此，實現(xiàn)二維室溫鐵磁分子材料面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

為了解決這一挑戰(zhàn)，該團隊以有機分子（二茂鈷（co(cp）2）作為磁性基元，基于無機層狀材料層間的限域效應(yīng)，利用插層化學(xué)構(gòu)建了長程有序的室溫磁性分子單層。基于有機-無機（co(cp)2/sns2）超晶格界面處動態(tài)電荷轉(zhuǎn)移發(fā)展了二維-[co(cp)2-s2-- co(cp)2-]-共振超交換新機制，實現(xiàn)有機分子基元間長程磁有序結(jié)構(gòu)，得到高的臨界溫度（>; 400 k）和弱場下強磁性（4 emu.g-1）的二維鐵磁分子層。通過stm和afm聯(lián)用的掃描探針顯微技術(shù)成功表征出限域在sns2層間的單個co(cp)2分子的取向和形成的單層分子類蜂巢狀陣列，其中相鄰co(cp)2分子的電子云相互彌散形成具有的類似石墨烯體系的離域電子態(tài)介導(dǎo)了co(cp)2分子之間的自旋交換相互作用。該工作通過調(diào)控分子自旋有序，實現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的磁性固體，有望為電子技術(shù)、信息存儲和量子計算等應(yīng)用領(lǐng)域提供更好的解決方案。

近年來，吳長征教授、郭宇橋副教授課題組針對二維材料普遍缺乏本征磁性和難以引入凈自旋的科學(xué)難點，發(fā)展表界面化學(xué)調(diào)控途徑在二維體系引入本征磁性新策略。特別是發(fā)展表面配位化學(xué)方法，分別獲得了包括二維超順磁（angew. chem. 2016, 55, 3176）、自旋阻挫（phys. rev. lett. 2014, 113, 157202）、近藤效應(yīng)（nature commun. 2016, 7, 11210）、和二維半金屬（adv. mater. 2017, 29, 1703123）等新穎量子行為在內(nèi)的系列二維磁性新結(jié)構(gòu)。進一步利用界面配位化學(xué)調(diào)控，基于等靜壓調(diào)控自旋長程有序（adv. mater. 2017, 29, 1700715），通過層數(shù)依賴調(diào)控自旋有序（adv. mater. 2023, 35, 2209365）等，獲得系列二維鐵磁材料。

二維磁性分子單層結(jié)構(gòu)和室溫鐵磁性

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心劉雨樺博士、呂海峰博士后研究員、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院袁秉凱特任副研究員（現(xiàn)為中國科學(xué)院蘇州納米所副研究員）和博士生劉洋是本論文共同第一作者，精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室吳長征教授、郭宇橋副教授和武曉君教授是本論文通訊作者。該項研究工作得到了國家同步輻射實驗室（nsrl）、北京同步輻射裝置（bsrf）、中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心（hmfl）和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的寶貴機時支持，也受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項目、重大項目，國家杰出青年科學(xué)基金項目，科技部國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新重點基金等項目的資助。

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（化學(xué)系、科研部）