作为单分子磁体的分子自旋电子研究进展
化学物理学中的分子自旋理论
化学物理学中的分子自旋理论自旋是一种微观粒子特有的属性，它体现在粒子的自旋量子数上。
自旋理论研究的是这种自旋属性对于物质的性质和行为的影响，它对于化学物理学的发展和应用具有重要的意义。
本文将着眼于化学物理学中的分子自旋理论，介绍其基本原理、发展历程和应用现状。
一、分子自旋的基本原理在化学物理学中，分子自旋理论研究的是分子中的自旋状态对于分子性质的影响。
分子中的自旋状态包括了电子的自旋、核子的自旋和整个分子的总自旋。
这些自旋的交互影响非常复杂，同时又与分子的几何结构、电荷分布等因素密切相关，因此需要进行深入的理论研究和实验验证。
分子自旋理论最早可以追溯到1927年，由波兰物理学家Uhlenbeck和Goudsmit提出。
他们发现电子具有1/2的自旋量子数，这种自旋属性导致了电子的磁矩，其中自旋向上的电子磁矩与自旋向下的电子磁矩大小相等，方向相反。
这一发现不仅填补了量子力学的理论空缺，而且对于磁学、光学等领域的研究产生了巨大的推动作用。
在分子自旋理论的发展历程中，Kaplan于1958年首次提出了分子自旋轨道理论。
该理论主张分子中电子自旋的不同方向影响了分子的总自旋，从而导致分子的磁性、激发态等性质的差异。
随后，人们在分子自旋轨道理论的基础上，发展出了许多新的分子自旋理论，如自旋耦合理论、自旋密度泛函理论等，这些理论在计算分子的电子结构、反应动力学等方面都得到了广泛应用。
二、分子自旋理论的应用分子自旋理论在化学物理学的研究和应用领域都得到了广泛的应用，以下介绍其中的一些应用。
1. 分子磁性分子自旋理论能够解释分子的磁性行为，例如通过电子配对和去配对反应可以控制磁性分子的磁性。
在分子磁性材料的研究领域中，分子自旋理论在设计、合成和应用分子磁性材料方面具有重要的作用。
2. 光电材料分子自旋理论对于光电材料的理论模拟也具有重要的作用。
例如通过自旋-自由度相互作用的调制，可以调节分子的电荷分布，从而改变分子的光学性质和发光性质。
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展自旋电子学是一门相对较新的物理学分支，涉及自旋电子的操控和应用。
自旋转移矩效应是自旋电子学中的一个重要现象，它在自旋电子器件的研究和应用中发挥着关键作用。
本文将详细解读自旋转移矩效应的基本定律、实验准备和过程，并探讨其在自旋电子器件研究中的新进展和应用。
自旋转移矩效应（spin-transfer torque，简称STT）是指自旋极化电流对磁矩的转移作用。
在自旋电子学中，电流携带的自旋极化可引起磁矩的移动和翻转，从而实现自旋信息的读写和存储。
STT的研究对于自旋电子器件的发展具有重要意义。
首先，我们可以从磁体的逆磁电阻效应（GMR）开始解读STT的基本定律。
GMR现象表明，当电流通过一个具有磁性层的金属多层膜时，由于自旋极化电流的存在，电阻将与磁自旋方向有关。
这一效应被用于读取磁性存储介质中的自旋信息。
STT则进一步利用了这种磁性层中的自旋极化电流，通过施加一个垂直磁场，使得磁矩沿着特定方向旋转，实现了自旋信息的写入。
在进行STT实验前，我们需要准备一些实验装置和材料。
首先，需要制备一些磁性多层薄膜样品，其中包含磁性层和非磁性层，用于观察STT效应。
其次，需要配置一台实验仪器，如霍尔效应测量仪，用于测量和分析自旋极化电流和磁矩的变化。
最后，还需要一些实验材料，如电路板、导线和稳压电源等。
实验的过程如下：首先，将制备好的磁性多层薄膜样品固定在实验装置中，并连接电路板和电流源。
然后，通过电流源施加一定大小的电流并选择合适的频率，以产生自旋极化电流。
接着，通过霍尔效应测量仪测量电流和磁矩的变化，以获得STT效应的相关数据。
最后，根据实验数据分析自旋极化电流对磁矩的转移作用，并进一步探究其在读写自旋信息中的应用。
自旋转移矩效应在自旋电子器件的研究中有着广泛的应用。
例如，自旋转移矩随机存储器（ST-RAM）利用STT效应实现了高速、低功耗和非易失性的自旋极化数据存储。
Kramers离子Dy(Ⅲ)、Er(Ⅲ)和Co(Ⅱ)基单离子磁体的构筑及磁构关系研究
Kramers离子Dy(Ⅲ)、Er(Ⅲ)和Co(Ⅱ)基单离子磁体的构筑及磁构关系研究单离子磁体作为一种单分子磁体,在分子自旋电子学、量子力学、高密度信息存储材料等领域有着广泛的应用前景。
自2003年Ishikawa等人报道了首例基于镧系金属的单离子磁体以来,单离子磁体因为其结构简单易于调控以及翻转能垒高等特点而成为近年研究的热点。
由于稀土金属离子具有未淬灭的轨道角动量,所以单核的稀土金属配合物具有非常大的磁各向异性,从而产生慢磁弛豫行为。
近年来,稀土基单离子磁体取得了巨大的进展,翻转能垒达到1837 K,阻塞温度高达60 K。
过渡金属离子同样具有轨道角动量,因而也吸引了众多研究者的关注。
2010年Long课题组报道了第一例高自旋Fe（Ⅱ）基单离子磁体,这也是首例过渡金属基单离子磁体。
随后,关于过渡金属基单离子磁体的研究迅猛发展。
在众多的过渡金属中,由于二价钴离子易于形成旋轨耦合,从而产生较强的磁各向异性,因此钴基单离子磁体被报道最多。
本论文重点研究了克拉默离子Dy（Ⅲ）、Er（Ⅲ）和Co（Ⅱ）基单离子磁体的合成及其磁构关系,主要包括以下三部分的内容:一、具有相同十配位构型的发光镝（Ⅲ）和铒（Ⅲ）基单离子磁体利用5个NO<sub>3</sub><sup>-</sup>提供的10个O原子和Dy（Ⅲ）、Er（Ⅲ）合成了两个单核LnO<sub>10</sub>的配合物:（nBu<sub>4</sub>N）<sub>2</sub>[Dy （NO<sub>3</sub>）<sub>5</sub>]（1）和（nBu<sub>4</sub>N）<sub>2</sub>[Er （NO<sub>3</sub>）<sub>5</sub>]（2）,通过单晶衍射仪测试了其结构,研究了这两个配合物的荧光性质和磁性。
单分子磁体的制备及其磁性质研究
单分子磁体的制备及其磁性质研究单分子磁体（Single-Molecule Magnets，简称SMMs）是一种具有特殊磁学性质的分子。
由于其特殊的磁学性质，单分子磁体已成为磁性材料研究领域的热点之一。
在此，将介绍单分子磁体的制备及其磁性质研究的相关内容。
一、单分子磁体的概念及特征单分子磁体一般由一个或多个金属离子和有机配体组成。
所含的磁性金属离子在配体的帮助下，可以形成具有磁性的“单分子”。
与普通的磁性材料不同，单分子磁体是非常小的，其大小一般在数纳米以下。
单分子磁体的最大特征是具有磁性滚珠的行为。
即在外层磁场的作用下，单分子磁体的自旋可以上下翻转，呈现类似于磁滚珠的磁性行为。
而SMMs磁滚珠的大小一般在几个纳米左右，这使得其具有优异的磁性性质。
二、单分子磁体的制备单分子磁体的制备是一个非常复杂的过程，需要设计新的配体分子并通过化学合成制备。
一般而言，单分子磁体的制备分为以下几个步骤：1、选择合适的金属离子。
通常使用的金属离子如铁、锰、铜、铬以及钴等。
2、制备配体分子。
常见的配体分子如porphyrin、phthalocyanine等。
3、将金属离子与配体分子作用。
制备单分子磁体是一种典型的自组装过程，金属离子与配体分子之间的作用力进而促进单分子磁体的形成。
4、对制备好的单分子磁体进行物理和化学表征。
磁学能级结构测量是单分子磁体表征的核心之一。
一般情况下，磁学测量需要通过其他技术手段（如电子顺磁共振、核磁共振等）来进行协助。
三、单分子磁体的磁性质研究单分子磁体的磁性质涵盖了多方面。
其中最重要的特征之一是单分子磁体对于外部磁场的响应行为。
对于磁斯托克差分（Magnetization）行为的研究被认为是研究SMMs的入门关键。
研究表明，单分子磁体的磁滚珠行为是非常稳定的，通常具有极长的自旋时间（spin relaxation）这也让单分子磁体成为了可高拓展的磁存储设备的一个热门发展方向。
此外，单分子磁体还具有潜在的应用价值，例如可应用于磁性催化、量子计算和磁性能量转换等领域。
自旋电子学研究进展磁学会议
反铁磁层
钉扎铁磁层
自由铁磁层
S i
FeNi 15 nm
FeNi 15 nm
Cu 2.6 nm
FeMn 15 nm
Ag 2 nm
MR=2.2 %
增加纳米氧化层的自旋阀
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
Courtesy of NVE
Compassing
Global Position Systems
Vehicle Detection
Navigation
Rotational Displacement
Position Sensing
Current Sensing
Communication Products 通信产品
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
小原子是镁，大原子是铁，大原子上的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面上的[110]方向。
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度完全不同。
结构模型
Mg
1
o
Fe
[010]
[100]
[110]
2
[100]
Fe
MgO
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度大体相同。
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
∆R/R=15％ ( >10％ )
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-600
-400
-200
0
200
400
600
H ( Oe )
MR ( % )
电子自旋的研究报告
电子自旋的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨电子自旋的基本概念、研究方法以及其在物理学和材料科学领域的应用。
通过对电子自旋的理论模型和实验观测的综合分析，我们得出了一些重要结论，并对未来的研究方向提出了建议。
1. 引言电子自旋是描述电子独特属性的一个重要概念，它与电子的轨道运动相对独立。
自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转的运动，它具有两个可能的取向：上自旋和下自旋。
电子自旋的研究对于理解原子、分子和固体材料的性质具有重要意义。
2. 电子自旋的理论模型电子自旋最早由Pauli在1925年引入，他提出了著名的Pauli不相容原理，即同一量子态下的电子自旋不能完全相同。
根据量子力学的描述，电子自旋可以用自旋角动量算符来表示，其取值为±1/2。
电子自旋的量子态由自旋向上和自旋向下的线性组合构成。
3. 电子自旋的实验观测电子自旋的实验观测主要通过磁共振技术实现。
核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）是常用的实验方法，它们通过测量样品在外加磁场下的共振吸收信号来确定电子自旋的性质和行为。
此外，基于自旋电子学的研究也为电子自旋的观测提供了新的途径。
4. 电子自旋的应用电子自旋在物理学和材料科学领域有着广泛的应用。
在量子计算中，电子自旋被用作量子比特的信息载体，其离散的取值使得量子计算具备了高度的稳定性和可控性。
此外，电子自旋还被应用于磁性材料的研究，如磁存储材料和磁传感器。
5. 电子自旋的未来研究方向尽管电子自旋的研究已取得了重要进展，但仍存在许多待解决的问题和挑战。
未来的研究可以从以下几个方面展开：深入理解电子自旋与其他自由度（如轨道、自旋轨道耦合）的相互作用；开发新的实验技术和材料系统，以实现对电子自旋的更精确控制和测量；探索电子自旋在量子信息处理和量子材料中的更广泛应用等。
结论：电子自旋是一个重要的物理学概念，其研究对于理解物质的性质和开发新的应用具有重要意义。
通过深入理解电子自旋的理论模型和实验观测，我们可以进一步拓展其在量子计算和磁性材料等领域的应用。
电子自旋共振技术的应用研究
电子自旋共振技术的应用研究电子自旋共振技术是一种用于研究材料中电子结构的高精度技术，近年来在材料科学领域中被广泛应用。
本文将介绍电子自旋共振技术的基本原理及其应用研究。
一、电子自旋共振基本原理在物理学领域中，自旋是用来描述电子自身旋转的物理量。
自旋可以用角动量量子数s来表示，常见的有s=1/2、s=1等。
当电子在一定的外场作用下，其自旋将会发生共振，这就是电子自旋共振现象。
电子自旋共振实验中，需要将样品置于磁场中，将电子自旋磁矩与外磁场耦合，利用微波的辐射将电子自旋从基态激发到激发态，测量样品在不同磁场强度下的共振信号，进而得到样品中电子自旋的信息。
这种技术可以用来研究材料的电子结构以及局域电子态等信息。
二、电子自旋共振的应用研究1. 材料物理学研究电子自旋共振技术在材料物理学研究中被广泛应用，可以用来研究材料中的自由基、缺陷、氧化物、磁性材料等。
例如，研究晶体管中的氧空位缺陷可以利用电子自旋共振技术来确定其位置、数量及类型；分析材料的电子结构和能带结构时，可以通过探究其电子自旋共振谱来获取局域电子态信息，进而研究材料内部的电子结构。
2. 生命科学研究电子自旋共振技术在生命科学研究中也有较为广泛的应用，可以用来研究生物分子的结构、作用原理等。
例如，利用电子自旋共振技术可以研究蛋白质的结构变化、疾病诱导的构象变化等；可以分析药物与受体结合时的分子级动态过程。
3. 环境科学研究电子自旋共振技术对于环境科学研究也有很大的应用，可以用来研究环境中的自由基、磁性物质等。
例如，可以通过电子自旋共振技术研究大气中自由基的分布、来源和化学反应过程；还可以用来研究土壤中磁性粒子的来源、大小和组成等。
4. 化学研究电子自旋共振技术在化学研究领域中的应用主要集中在分析化学和有机化学等。
例如，可以利用电子自旋共振技术来分析各式各样的化合物的性质、组成和有机金属反应机理等问题；可以研究分子之间的相互作用以及反应原理。
结语作为一种研究材料中电子结构的高精度技术，电子自旋共振技术在材料科学、生命科学、环境科学和化学等领域中都有广泛应用。
分子磁性材料及其研究进展
材料 等领 域得 到应 用 ， 以近 年来对 分 子磁性 的研究 已经 成为化 学 、 所 物理 学 以及 材 料科学 等 多个领域 研
究 的热点 之一 ［ 。
聚合 物 中磁相 互作 用发生 的 主要方 式 ， 于分 子磁性 材料 的构筑 非常重 要 。 对 Ｒ Ｋ Ｋ Ｙ机理 是指 通过 磁偶极 与导 电 电子发生 相互 作用 ， 以导 电电子为媒 介而 发生 的交 换 ； 即 这种 作 用 也能 引起铁 磁和 反铁磁 耦合 ． 主要 用 于解释 磁性 的金属单 质 （ Ｆ 、 ｏＮ 等 ） 合金 的磁 学性质 。 如 ｅｃ 、ｉ 或
摘要
对 分 子 磁 性 材 料 的一 些 基 本 概 念 和磁 学 现 象 作 了 简 单介 绍 ， 要 包 括 磁 耦 合 、 有序 、 弛 豫 和 自 主 磁 磁
旋 交叉 等几个方面。重点综述 了单分子磁体 、 单链 磁体 、 自旋交叉化合物 、 多功能复合磁体以及磁性分子组装
领 域的研究进展 。
分子 磁性是 指 由材料 中具 有未 成对 电子 的顺 磁 中心在 配位 化学 环境 中通 过孤 立或者 协 同作用表 现 出来 的行 为 。通 过研 究孤 立顺 磁离 子在 配体 场 中的 自旋状 态 ， 们 可 以实 现高 低 自旋态 之间 的转变 ． 人 并
通过 温度 、 压力 、 照等外 场 实现可 控调 节 ＿ ； 光 ２ 通过 研究 自旋之 间的协 同行 为 ， 们 可 以对 磁耦 合 作 用 、 人
关Hale Waihona Puke 词 分子磁性单分子磁体单链磁体 自旋交 叉
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单分子磁体与分子自旋电子材料Single-Molecule Magnets and Materials of MolecularSpintronics姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*南通大学化学化工学院摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。
这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。
分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。
建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。
本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。
关键词:自旋电子单分子磁体磁性质1、引言在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。
近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。
人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。
在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。
新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。
后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。
分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。
作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。
其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。
建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。
此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。
关于单分子磁体在自旋电子器件中的基础和应用研究，国际著名课题组Wernsdorfer[10]作了很好的综述。
本文在理解和吸收该文的基础上，对单分子磁体在分子自旋方面的研究和应用潜力，及其在将来的研究中所面临的挑战和机遇作一介绍，以期引起国内化学和物理学研究者更为广泛关注。
*通讯联系人，E-mail: jgq3518@。
第一作者：姜国民，男，41岁，硕士，讲师；研究方向：功能配合物。
江苏省教育厅自然科学基金指导项目06KJD1501542、单分子磁体的特征单分子磁体是由内部的磁核和外围的有机分子壳层组成[7]（图1），这一化学特征解决了有关分子连接的问题。
外围有机分子可通过化学裁剪嫁接到固体表面或进行连接[11]。
由于单分子磁体只在阻塞温度下才出现磁滞回线，当前合成的目标是提高单分子磁体的阻塞温度。
为此，人们常常采用改变簇合物大小或修饰结构的方法：（1）通过改变反应条件，合成高核数的簇合物。
主要是用相对较小的簇合物作为构建块，通过溶液法组装大的簇合物或用水热及溶剂热法合成，后者使低沸点的溶剂在高温下进行，有利于晶体的形成。
（2）对已知的簇合物进行确定位点修饰，例如，Mn12族的羧酸盐体系，用适当的硝酸、磷酸取代，以改善簇合物的性质。
除用上述方法改善单分子磁体性能外，还可以通过修饰有机配体的基团改变偶合环境[12]；通过交换内部磁性离子改变磁性质，而结构或偶合环境不发生变化[13]。
因此，合理设计和调整单分子磁体连接方式是当今分子自旋电子研究的重要工作。
图1单分子磁体嫁接到表面展示不同的功能。
a, [Mn12O12(C(CH3)3 COO)16(H2O)4]；b, [Mn12O12(p-CH3SC6H4-COO)16(H2O)4]；c, [Mn12O12(O2CC6H5)8 (1,8-dicarboxyl-10-(4-acetyl sulphanyl-methylphenyl)-anthracene-1,8-dicarboxylic acid)4(H2O)4]。
结构由X-ray单晶衍射确定，省略所有溶剂分子。
从化学合成的角度看，纳米单分子磁体的合成可视为连接物理学和化学方法制备纳米磁粒子的桥梁；从物理学的角度分析，单分子磁体在经典宏观磁性质和纳米大小的量子性质之间架起了桥梁。
他们具有均一的单分散性，可以在晶体水平上研究磁纳米粒子，并通过物理学的自旋电子装置从磁化强度量子隧穿（图2）到Berry相干涉和量子相干性展示了量子效应[10]。
尽管单分子磁体的磁性质也受沉积到的物体表面或先导分子的影响，但比非分子的纳米粒子磁体有更大的各向异性分布。
图2 在不同温度和场扫描速率为2 mT s-1下的[Mn12O12(O2CCH2C(CH3)3)16(CH3OH)4]磁滞回线。
回线中出现了一系列的台阶，这是由于能级间引起共震的量子隧穿。
低温下，由于热隧穿的减弱，转换速率减少。
温度低于0.6K时，温度对磁滞回线几乎没有影响，出现低能级的量子隧穿。
我国化学工作者在设计和组装具有单分子磁性质无机材料的基础研究方面取得了一定的成果，如南京大学游效曾、宋友等以[Mⅴ(CN)8]3-(M = W, Mo)为构建模块与同Co II自组装构成了两个具有单分子磁体性质的簇合物[14]；973首席科学家左景林教授研究的国家重大科学研究计划“分子及自旋体系中的量子调控”的研究已发表SCI论文150余篇；在白俊峰教授指导下，江国庆等合成了多例具有磁性质的簇合物[15, 16]，其中组装的簇合物{Fe6}通过超分子作用形成了一个三维类沸石结构，在该结构中还发现了具有四面体构型的水簇合物。
四面体水簇合物在理论计算中早有预测[17]，在实验中发现该构型有助于我们对生物和化学过程的理解[15]。
3、分子自旋晶体管将一个磁性分子附着在两个非磁性电极之间，其中一个电极用扫描隧道显微镜（STM）作探针，另一个用导体作底物（图3a），显示了有趣的Kondo效应和单原子磁各向异性[18]。
虽然在金的表面已经得到了孤立的单分子磁体分子[11]，但用STM作探针研究其磁行为需要非常苛刻的实验条件，如极低的温度，很高的磁场，因此用上述装置对单分子磁体分子的实验研究至今尚未成功。
Kim和其合作者首次用该装置从理论上进行了研究，计算当电流通过单分子磁体分子时磁化强度量子隧穿（QTM）的量子动力学[19]。
实验研究是用断裂节（break-junction）装置[20]，该装置中包括栅（gate）、源（source）和漏（drain）三种电极，这种三个终端传输装置称为分子自旋晶体管。
该装置是用非磁性电极作为单电子传输器，用单磁分子作为磁岛。
电流经源极和漏极通过磁分子，电流的大小用栅极电压（Vg）进行调节（图3b）。
根据分子和先导物间偶合强度的大小分为弱偶合和强偶合两种情况，物理上是用接触能垒和分子能垒描述，能垒的高低由分子和电极的波函数决定。
当杂化能（Γ）小于分子电荷能（U）即Γ＜U，分子弱偶合到先导物上[10]，反之为强偶合。
3.1弱偶合情况。
用含硫醇的配体取代单分子磁体[Mn12O12(CH3COO)16 (H2O)4]中的醋酸根（图1b），然后将其通过强共价键附着在金电极的表面。
配合物中外围有机基团扮演着隧道能垒和在连接过程中不使单分子磁体磁性质被破坏的角色。
{Mn12} 的磁场研究首次证明了单分子磁体的自旋晶体管的性质[9]。
在零场和非线性激发情况下，场函数的简并度是典型的通过磁分子的隧道效应。
然而，在磁场研究中没有观察到磁滞的响应，如不考虑环境因素[12]，其原因可能是由嫁接步骤中的间隔分子、具有低能垒的激发态分子数或者是由在各场值下，源、漏电极电压扫描引起的。
在弱偶合体系中，理论研究预测了许多有趣的结论。
例如，通过散离燥声的测量说明单分子磁体的微观磁结构[21]；建立结构与磁性参数之间的转换关系，进行单分子磁体性质的转换表征。
这就为电子自旋合理地设计单分子磁体和表征相关化合物的物理性质开辟了一条研究渠道，且第一步工作已经通过比较相关单分子磁体得到期望的化学响应[22]。
而根据磁化强度的易轴（easy axis of magnetization）和磁场夹角函数的理论分析，响应持久性与单分子磁体的连接方向无关，并且即使是单分子磁体的膜层也能保持明显的单分子装置的性质[23]。
值得注意的是，由于纳米粒子或量子点没有唯一的化学结构，所以以上研究方法不适合对纳米粒子或量子点的研究。
图3 a, 示意图显示：用扫描隧道显微镜（STM）探针在表面嫁接的单分子磁体上完成电子传输实验；b, 分子晶体管示意图：用栅极电压调节电子的传输；c,带有烷基间隔基的[Co(Tpy-(CH2)5-SH)2]单核磁分子，在弱偶合体系中的电子传输过程；d,无烷基间隔基的[Co(TerPy)2]，出现强偶合和Kondo效应。
e,二核钒[(N,N',N"- trimethyl -1,4,7-triazacyclononane)2V2(CN)4(-C4N4)]分子磁，只有在充电状态下出现Kondo效应。
颜色码：除了Co原子为绿颜色，V原子为橙色，其余原子的颜色与图1相同。
3.2 强偶合情况。
在分子和先导物间的强电子偶合产生了Kondo效应[,24]，而高序隧道在其中起了很重要的作用。
然而，实验中只有在含一个[25]或两个磁中心[17]的顺磁分子中得到此结论，对于复杂的单分子磁体尚未取得突破。
第一个单核磁分子的研究（图3c）是用两个三联吡啶配位的Co(Ⅱ)离子配合物，并用可改变长度的化学基团将其附着到电极上（图3b）。
用长的烃基间隔基团，由于较低能垒的穿透性展示了库仑阻塞钻石区（Coulomb-blockade diamonds），这是弱偶合状态出现的特征，没有Kondo峰。
若用硫醇直接与三联吡啶（TerPy）连接出现了与电极的强偶合（图3d），且Kondo温度异常地高（约25K）。
另一个具有有趣物理效应的简单分子是含两个磁中心的二核钒分子（[(N,N',N''-trimethyl -1,4,7-triazacyclononane)2 V2(CN)4 (µ-C4N4)]）（图5e），为了得到尽可能高的穿透性，将其直接嫁接到电极表面，嫁接的分子通过栅电压调节至两种不同的电荷状态[26]。
由于两个磁中心离子的反铁磁偶合，中性状态的S=0，而正电荷状态的S=1/2。
正如预期的那样，只有自旋磁矩不为零[24]的状态出现Kondo特征。
这一现象可用于分子开关，即多中心且具有反铁磁作用的磁性分子可通过调节电荷状态产生Kondo效应，且Kondo温度异常的高（超过了30K）。