单分子磁体
稀土单分子磁体磁各向异性的理论研究
稀土单分子磁体磁各向异性的理论研究
随着近几年来稀土单分子磁体（Rare Earth Single Molecule Magnets，简称RESM）研究热潮的升温，稀土单分子磁体的磁各向异性被越来越多的学者所关注，引起了众人的关注。
因此，磁各向异性的理论研究成为未来稀土单分子磁体的发展一个重要的研究方向。
一、磁各向异性的概念
磁各向异性（magnetic anisotropy），即材料磁性特性随向量旋转方向变化，将其
折射成一种特殊的方向性。
也就是说，材料磁性能力只有在特定的方向上才有强烈的表现力，这就是磁各向异性的作用。
二、磁各向异性的研究目的
研究磁各向异性的目的是为了更加深入的了解磁性材料的性能，并且为磁性材料的微米尺度制造、存储磁记忆等提供研究基础。
三、稀土单分子磁体的磁各向异性
（1）稀土六配位单分子磁体（R6SMs）。
R6SMs试图通过调节其稀土核心结构，来改善其磁各向异性，以增强其磁力及稳定性。
四、磁各向异性的理论研究
（1）基于简单多电子结构的理论模型。
该研究方法借助简单多电子结构对稀土核
心结构进行描述建模，通过调制其结构参数来调控它们的磁各向异性，并加以分析。
总之，就稀土单分子磁体的发展而言，磁各向异性的理论研究就显得极为重要，只有通过深入的理论研究，才能够更好地推动稀土单分子磁体的发展。
过渡-稀土单分子磁体合成方法综述
配 体法 ， 该法是 分 步合成 的 ： 即先 利用 分隔配 体 和
收 稿 日期 ：０ １ ３—１ ； 改稿 收到 日期 ：０ １一 ６ Ｏ ２ １ 一Ｏ ２修 ２ １ Ｏ —１ 。
作 者 简 介 ： 华 （ ９ ６一 ， 士 ， 师 ， 料 物 理 与化 学 专 业 ， 向 １７ ）博 讲 材 主 要 从 事 ３ －ｆ 能 多核 配 合 物 以 及 大 环 功 能 配 合 物 的 研 究 工 ｄ４ 功 作， 已发 表 Ｓ Ｉ 录 论 文 １ Ｃ收 ９篇 。
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第２ ８卷 第 ６ 期
２１ ０ １年 １ １月
Ｓ ＰＥＣＩ ＡＬＩ ＴＹ ＰＥＴＲＯＣＨ ＥＭ Ｉ ＣＡＬＳ
过 渡一 土 单 分 子磁 体 合 成 方 法 综 述 稀
向 华 黎 或。 ，
（． 东 轻 工 职业 技 术 学 院传 播 工 程 系 ，广 东 广 州 ５ ０ ０ ０ １广 １３ ０ ；
２ 广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院精 细 化 工 研 发 中心 ， 东 广 州 ５０ ０ ０ ． 广 １３ ０ ）
摘 要 ： 述 了设 计 合 成 ３－ｆ 分 子 磁 体 常 见 的几 种 方 法 ： 隔 配 体 法 、 助 自组 装 法 和 目标 位 置 法 ， 价 了 综 ｄ４ 单 分 辅 评
者们 的 热切关 注［ 。 ８
体 就可 以 同时与 两 种 金属 离 子 配 位 ， 有 可 能将 并
二 者桥 联起来 ， 成 ３ － ｆ 生 ｄ４ 的多 核异 金 属 配合 物 。
要 得 到具 有 “ 分 子磁 性 ” 为 ， 合 物在 磁 单 行 化
单分子(单链)磁体的研究
LT LS [LS-Co(III)LS-Fe(II)]
HT HS [HSCo(II)LS-Fe(III)]
65.5 K 3.1× 10-10
33.3 K 3.3×10-8
机理 5f-3d
Nature Chem. 2012,4,1011-1017
-1
-12.0
-7
-12.2
-12.3 0.30
-12.4
0.55
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
T /K
-1
D
-5
Linear Fit
-6
-7
S
-8
n=9.7
-9
-10
-3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
任旻 主题报告 20130922
• 多功能：铁电 介电 自旋交叉。。。 • 机理：高能垒 弛豫 构效关系。。。 • 调控：光 电 溶剂 配体 取代基 。。。
多功能
JASC: /10.1021/ja407570n
2: HS J = −0.96(3) K and g = 2.02(5). 3: LS J1= −1.09(9) K, J2 = +0.04(1) K, and g = 2.00(5).
单分子（单链）磁体的研究进展
JASC: /10.1021/ja407570n Nature Chem. 2012,4,921-926 Nature Chem. 2012,4,1011-1017 Nature Chem. 2013,5,577-581 JACS: /10.1021/ja403154z Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9130 –9134 Inorg. Chem. 2012, 51, 8538−8544 Nature Chem. 2013,5,673-678 Chem. Eur. J. 2013, 19, 12982 – 12990 JACS: /10.1021/ja405284t J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13242−13245
单分子磁体
簇合物 %G(+ G
纳米材料
信息材料
量子隧穿效应
设计和合成具有特定结构和物理功能的分子材
图( E2Q+ (
H D8(! F(! @ F! KP C (% @ L! F C G I 核的结构 R:;=?:=;9 *S :T9 ?*;9 *S :T9 H D8(! F(! @ F! KP C (% @ L! F C G I ?3=N:9;
法的研究可以提供重要信息 % 特别是要研究它们在 低温下的行为是否符合单分子磁体的要求。单分子 磁体的特点是通过磁偶合而具有较大的基态自旋 值 % 大的磁各向异性和较长的弛豫时间。 因而除了最 基本的分子结构鉴定方法 % 如 FG 射线单晶衍射 % 红 外光谱等外% 还使用一些特殊的研究手段来帮助确 定结构和测定磁性。 包括超导量子干涉仪 * HIJKL + % 高频电子顺磁共振 * M/GNOP + % 中子衍射% 热分析% 电 化学分析% 穆斯堡尔谱等。 研究分子磁性时最重要的几个参数是 * " + 式中 的郎德 * QB-R0 + 因子 $、 交换常数 %<% S 和零场分裂常 数 "。得到这些参数有两种方法 ) 一是量子化学计 算法 2 ’D 3 % 二是实验数据的拟合 2 ’E% ’# 3 。 在用拟合方法推求 $ 值和 % 值时就需要磁化 率 ! 和磁化强度 & 等实验数据。 HIJKL 是当前精度 最高的测量方法。 对 ,-!’ T1 2 !U 3 单晶的交流磁化率实
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单分子磁体
王天维 林小驹 韦吉宗 黄 辉 游效曾!
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@ 南京大学配位化学研究所 A 配位化学国家重点实验室A 南京
单分子磁体
Fig. 3-1 ORTEP view of the
[V4O2(O2CEt)7(bpy)2]+ cation at 50% probability level.
Fig. 3-2 [V4O2(O2CEt)7(bpy)2][ClO4] (bpy = 2,2-bipyridine) with a
1. Mn簇合物单分子磁体
第一个单分子磁体 [Mn12O12(O2CMe)16 (H2O)4 是Lis 1980年报导的通过醋 酸锰和MnO2反应制得的。 在1993年发现了其单分子 磁体行为后，这类簇合物的 制备立即引起化学家的广泛 关注。G. Christou和D. N. Hendrickson等人发展了获 得多核Mn簇的方法，得到 了不同核数的Mn簇合物。
3MnII, 26MnIII, MnIV
S (ground state) 9/2 10 or 11 11 3 4 0 0 9 or 10 19/2 0 13/2 Not be determined 9
2. Fe簇合物单分子磁体
Fe簇合物通常是通过FeII、FeIII盐（如：羧酸盐，卤化物等）在特定的 溶剂体系中加入双齿或多齿配体，从而获得特定结构的多核Fe簇。不同簇结 构，其基态自旋值可能不同，表2列举了一些Fe簇的基态自旋值。
1993年，Sessoli R.等人发现， [Mn12O12(O2CMe)16 (H2O)4] 在低温下具有超顺磁性，其单个分子类似于一个磁畴，于是将 其命名为单分子磁体（SMMs, Single-Molecular Magnets）。
Sessoli, R.; Gatteschi, D.; Caneschi, A.; Novak, M. A. Nature 1993, 365, 141
材料化学实验-1-1
材料化学实验吉林大学化学学院实验一Mn12单分子磁体的合成一、实验目的1. 了解单分子磁体的基本性质。
2. 掌握[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]的合成方法。
二、实验原理单分子磁体是近二十年来才发展起来的一种新型磁性材料。
不同于传统的磁性材料，单分子磁体的磁性并不是由分子间的长程有序相互左右产生的，而是由单个分子内自旋中心的相互作用而产生的。
所以单分子磁体具有体积小、尺寸单一、可溶性好等一些其他材料无法替代的优点。
这使得其在高密度存储、量子计算机等方面有着巨大的潜在应用价值。
[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]是1993年由Roberta Sessoli、Hui Lien Tsai 等发现的第一个具有单分子磁体性质的化合物。
其结构可以看成是由四个Mn(Ⅳ)为核心，八个Mn(Ⅲ)环绕在周围的结构。
[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]分子，紫色球为Mn(Ⅳ)，蓝色球为Mn(Ⅲ)，红色球为O制备[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]是一个氧化还原反应，要在适当的条件下由高锰酸钾氧化醋酸锰得到目标产物，同时控制反应温度以提高产率。
反应方程式为：44Mn(CH3COO)2·4H2O+16KMnO4+18CH3OOH =5[M n12O12(CH3COO)16(H2O)4]·2CH3COOH·4H2O+16K(CH3COO)+140H2O三、实验仪器和试剂1. 仪器100ml烧瓶1个50ml量筒1支电子天平1台控温磁力搅拌器1台循环水真空泵1台布式漏斗1个抽滤瓶1个磁力搅拌子1个研钵1个X射线粉末衍射仪2. 试剂去离子水冰醋酸A.R.醋酸锰A.R. 高锰酸钾A.R.四、实验步骤1.在40ml 60%的醋酸溶液中加入醋酸锰4.04g 16.5mmol，搅拌使醋酸锰完全溶解。
2.取高锰酸钾1.00g 6.33mmol，研细，在搅拌下将研细的高锰酸钾加入到醋酸锰溶液中，搅拌使高锰酸钾完全溶解（约5～10分钟）。
作为单分子磁体的分子自旋电子研究进展
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。
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。
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单分子磁体
近日，国际上出现了“单分子磁体”，它是利用“人造分子”制造出的超导材料，单个分子有磁矩，分子间相互作用力大于斥力，构成一种新的材料。
单分子磁体具有许多优点：不但磁性能量高，且磁场稳定，几乎不受温度影响；由于单个分子的电磁力特别强，因此特别容易制成磁体。
单分子磁体的分子结构十分简单，可以自组织排列起来，形成一种均匀的三维网状结构，能在常温下达到超导态，形成特殊的单分子磁体。
单分子磁体具有许多优点：不但磁性能量高，且磁场稳定，几乎不受温度影响；由于单个分子的电磁力特别强，因此特别容易制成磁体。
单分子磁体的分子结构十分简单，可以自组织排列起来，形成一种均匀的三维网状结构，能在常温下达到超导态，形成特殊的单分子磁体。
单分子磁体对实验物理学和基础物理学都有重要意义，是最佳材料之一，有着广阔的应用前景。
我想，在未来世界，电脑能像打字机那样轻松地进行文字输入和数据处理，那时我们人类就不再被困在办公室里了。
在自然界中，所有的生物都靠不停地吞食外界的物质才能生存，没有了食物，它们只能死亡。
但是，动物在长期的进化过程中，逐渐掌握了通过消化道摄取营养物质的本领，并保证其在各个生命阶段都能顺利获得充足的营养。
随着科技的发展，新型材料不断被发现。
比如“磁性树脂”能让一般磁铁在空气中自由悬浮，还能吸收太阳能，转换成电能，这使得人类将太阳能利用到极致，可谓“一石三鸟”。
而同时也意味着人类
的生存环境将得到极大改善。
作为一名科学家，我希望在未来的科技研究中，能更多地运用先进的单分子磁体材料。
单分子磁体代表着一种崭新的发展方向。
从某种角度说，它甚至可以称得上是我们的祖先留给我们的遗产。
当前，很多国家都在加紧对这一新材料的研究。
美国科学家提出“纳米晶体”概念，旨在利用纳米技术把传统材料做成纳米尺寸。
纳米材料具有表面积大、比表面积高、导电导热性能好等特点。
研究人员认为，纳米材料与金属材料或半导体材料相比，在光电器件、传感器及信息储存、显示等方面具有独特优势。
单分子磁体正朝着纳米级别迈进，而新材料的突破，必将促进人类社会的发展，让人类社会变得更加美好！。