单分子磁体概述

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1、·http://www.paper.edu.cn单分子磁体概述孟笑天*（北京工业大学材料科学与工程学院，新型功能材料教育部重点实验室，北京100022）Email:txmling@eyou.com摘要：单分子磁体为纳米尺寸，磁特性源自单个分子的内部，可以独立地作为一个磁功能单元，是突破尺寸对传统磁子性能制约的一条途径。已知典型的单分子磁体基本上是含Mn、Fe、V、Cr和一些其他金属元素的簇合物，分述之。关键词：单分子磁体金属簇合物磁性ASummarizeofSingleMolecularMagnetsMENGXiao-Tian*(C

2、ollegeofMaterialScienceandEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022，China)Abstract：SingleMolecularMagnets(SMM)arenano-compoundsasabsoluteunitswhosemagnetismcomesfrominsideofmolecule.Sodimensionrestrictofmagnetwasbreached.EmblematicalMn,Fe,V,Crandothermeta

3、lclustersareintroducedforillustration.Keywords:SingleMolecularMagnets;clusters;magnetism0引言磁学是物理学中一个古老的重要分支，磁性材料的应用也为人类社会的发展带来了巨大影响。长期以来，人们更多研究的是传统磁体的性质，主要是合金与金属氧化物、金属配合物基于三维扩展晶格的长程作用，在畴结构排列下产生的宏观磁性能。近年，作为新兴的理化交叉学科，以探索开壳层分子及开壳层分子聚集体所体现出来的磁特征为目的分子磁学越来越受到人们的关注。在这一领域中，单分子

4、磁体由于身为纳米尺寸，具有众多奇异的性能，所以更是成为了研究热点。1单分子磁体的产生四十年以来，研究者在铁磁体、亚铁磁体的设计与制备中广泛引入顺磁性分子作为构筑单元，开创了所谓的分子基磁体学。1967年Wickman等人对第一个分子基磁体进行了报道,他们发现[Fe(dtc)2Cl]分子具有S=3/2的基态自旋,在2.46K时结晶状态中呈现铁磁有序[1-2]。1987年JoelS.Miller、ArthurJ.Epstein等人宣布[Fe(Cp*)2][TCNE]粒子的铁磁有序温度为Tc=4.8K[3-4]。此后，其它若干分子基铁磁体

5、相继被发现，其中一些的有序温度达到了室温[5]。····1····http://www.paper.edu.cn图1[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]原子簇的核结构示意Fig.1Structuralsketchofthecoreofthe[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]cluster1993年,RobertaSessoli、HuiLienTsai等发表了关于单分子[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]低温下具有超顺磁的的文章[6]。像这样的纳米簇合物被命名为单分子磁体（SingleMolecular

6、Magnets，SMM），开创了分子基磁体的一个纳米尺度的分支。此类化合物簇单元中的所有磁性金属离子的自旋都有序排列（如图1，箭头指向代表外磁场作用下磁矩的取向[7]），磁矩反转需要克服较高能垒，故而每一个离散的大分子都独立拥有磁性。2主要单分子磁体的性能原理图2基态自旋为S的单分子[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]磁体在零场下的能级图Fig.2EnergyplotforanSgroundstatesingle[Mn12O12(O2CR)16(H2O)4]moleculein0appliedmagneticfiled由存

7、在着多种交互作用的磁性单分子的简单哈密顿表达式：Hˆ=D⋅S2+gβΗ+∑JS⋅Sszi,jij对于高自旋分子，在不着重考虑赛曼效应和分子内自旋磁耦合（分别对应于式中右侧第二、三项）的2情况下，零场分裂引起的能量变化便成了决定性影响因素。零场分裂导致了高自旋基态的负磁各向D⋅Sz异性，使最大自旋态S所对应的能量最低，M=+S和Ms=−S间的跃迁即单分子磁体在磁化时分子内s粒子磁矩反转所需克服的能垒较高（如图2）。正是由于高能垒，低温下分子自旋和磁矩反转极为缓慢，出现磁弛豫现象。该能垒低于按热激发模型计算所得到的理论能垒，于是在一定高

8、温度下，分子内粒子具有足够的反转能量，磁矩会在正、负方向上快速振荡，分子表现出顺磁行为。而当温度低于阻塞温度TB（BlockingTemperature）时，无法反转的磁矩将被固定在某一方向。图350、250、1000Hz外场下[Mn