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光开关分子纳米磁体磁滞研究新进展

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分子纳米磁体可以在分子水平保持磁化取向的状态,有望成为未来信息存储的新材料。其中,光开关分子纳米磁体更被看好,而磁滞则是其发挥作用的关键。

近日,大连理工大学精细化工国家重点实验室刘涛教授课题组利用[W(CN)8]3-单元与FeII自旋交叉基元配位组装一维链,在光开关分子纳米磁体磁滞研究中取得重要进展。相关研究成果以“Switching the magnetic hysteresis of a [FeII–NC–WV]-based coordination polymer by photoinduced reversible spin crossover”为题,于2021524日发表在Nature Chemistry (doi.org/10.1038/s41557-021-00695-1)上。

1 [FeII–NC–WV]一维链结构

表现出磁滞的分子磁体具有对应于二进制‘0’‘1’的两种磁性状态,有望应用于高密度信息存储、自旋电子学器件、分子传感和量子计算等。利用外界刺激对磁滞进行快速可逆开关,并使之与光、电等信号耦合,实现对磁性状态的读写操作,在理论研究和应用研究方面均具有重要意义。光诱导自旋激发态捕获效应(LIESST)及其逆过程(RE-LIESST)不仅可以在飞秒尺度内切换金属离子的高低自旋态,还可以引起自旋中心磁各向异性和磁交换作用等的改变,为光调控分子磁体磁滞提供了可能。然而在现有的研究体系中,光调控分子纳米磁体本征的磁滞行为仍没有被观测到。磁滞的产生取决于材料分子层面上自旋中心的磁各向异性以及自旋中心之间的磁耦合作用。构筑具有磁滞的光响应分子纳米磁体,不仅要兼顾孤立自旋中心磁各向异性和它们之间的磁交换作用,又要对光响应自旋转变中心的配位环境进行精确调控,是一项极具挑战的课题。

该项研究中,研究人员选择具有强旋轨耦合作用的八氰合钨建筑单元(Bu4N)3WV(CN)8FeII离子组装强磁交换作用的一维链,利用长桥配体1,4-(1H-咪唑-1-)苯与FeII离子配位构筑刚柔并济的结构,获得了一例光开关分子纳米磁体。变温单晶X射线衍射与磁化率测试等分析表明FeII离子具有自旋交叉行为。同位素富集57Fe穆斯堡尔谱实验证实光诱导FeII自旋激发态捕获行为。808-nm473-nm激光照射驱动FeII离子在低自旋态(S = 0)和高自旋态(S = 2)间的可逆转换,并伴随链内磁交换作用通道的打开与关闭,实现对光诱导单链磁体与单分子磁体行为的可逆切换。808-nm光诱导激发态在低温下表现出明显的磁滞回线,矫顽场高达1.9 T473-nm激光照射引起FeII离子从顺磁态到抗磁态转变,磁交换作用通道被关闭,磁滞回线消失。

2. a. 25 K条件下808-nm激光照射后配合物的穆斯堡尔谱图;b. 25 K条件下473-nm激光照射后配合物的穆斯堡尔谱图;c. 808-473-nm光照后配合物的磁滞回线;d. 光调控FeII离子高低自旋态转变和WV-FeII磁交换作用通道开关

 

该项工作利用光诱导可逆自旋转变首次实现了分子纳米磁体磁滞开与关的调控,为设计基于自旋转变单元的光响应功能分子材料提供了新思路。

以上工作得到了国家自然科学基金委和大连理工大学的支持。大连理工大学精细化工国家重点实验室赵亮博士为本文第一作者,刘涛教授和孟银杉副研究员为本文共同通讯作者。

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