新型稀土磁、光功能材料的基础科学问题

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1、项目名称：新型稀土磁、光功能材料的基础科学问题首席科学家：严纯华北京大学起止年限：2006.1至2010.12依托部门：教育部科研中国[www.SciEi.com]收集于网络，仅供参考一、研究内容1、拟解决的关键科学问题揭示典型化合物(金属间化合物、氧族化合物、分子固体及其杂化材料等)在不同凝聚态(体相、介观和分子状态等)中稀土元素4f亚层电子本身的运动规律、4f电子与过渡金属和主族元素d,p,s电子间的相互作用及其与结构及相变的关系。(1)在稀土-过渡金属化合物的室温磁熵变材料研究中，揭示磁相变和结构相变之间、磁相变性质(一级、二级)和磁热效应间的相关性，揭示磁性能与弹性能(

2、伴随晶格膨胀、畸变)之间的竞争、自旋密度涨落、电子结构等与相变性质之间的关系，揭示一级磁相变和多重磁相变的特征和形成机制及其与巡游电子变磁转变之间的关系，以及分离晶格熵、电子熵和磁熵对磁热效应的影响，阐明磁熵变的机理和获得巨大磁热效应的途径；(2)充分利用分子固体体系易于进行组成和结构调变的优势，发现新的基于“原子磁体”、“单分子磁体”和“单链磁体”的宏观量子现象，通过量子化学计算阐明其物理根源，为开发新的磁性分子材料和器件提供依据；(3)在稀土分子固体及其杂化体系的光学性质研究中，通过配位环境的设计、控制和无机/有机杂化等方式，着重解决稀土配合物在特殊条件下（高真空、高场强、

3、激发态）的稳定性难题；发展新的相对论含时密度泛函方法和程序，通过理论计算阐明稀土离子在不同配位环境下不同波段中（紫外、可见、红外）的4f-4f的运动规律及其在显示器件、光传导和光放大中的能量传递机理，为新型信息显示和传输器件的开发提供依据；(4)探索新型稀土金属间化合物、稀土固体化合物、稀土分子基化合物及其杂化材料的控制合成方法，在多尺度上揭示其结构、织构、表面和界面等与宏观磁学和光学性质的关联和规律，从而指导高性能稀土磁学、光学功能材料的合成及原理器件的制备。2、主要研究内容针对上述拟解决的关键科学问题，本项目将围绕稀土磁性、光学功能材料的控制合成、组成、结构调变及其与材料性

4、能的关系开展系统研究，旨在揭示稀土元素在相关材料中的特殊作用及其规律，深化对材料构效关系物理本质的认识，探索和建立新材料的合成和制备方法。主要研究对象将包括稀土-过渡族金属间化合物、稀土氧化物/复合氧化物和稀土分子固体及其杂化体系三种最具典型意科研中国[www.SciEi.com]收集于网络，仅供参考义的材料体系。在磁性材料研究中，将重点研究4f-3d电子在稀土-过渡族金属间化合物、稀土分子固体体系中的作用机理和规律，以及相应的室温巨磁熵变、分子磁体和相关复合功能材料，主要研究内容如下：(1)基于前期“973”项目研究中在稀土-铁/锰基化合物体系所发现的优异巨磁熵变效应，将系统

5、研究稀土-过渡族金属间化合物的合成方法和新体系，揭示巨磁熵变与磁热效应的物理机理，重点研究磁相变和结构相变之间的关系，磁相变性质和磁热效应之间的关系，磁性能与弹性能之间的竞争、自旋密度涨落、电子结构等和相变性质之间的关系，一级磁相变和多重磁相变的特征、形成机制及其与巡游电子变磁转变之间的关系，分离晶格熵、电子熵和磁熵对磁热效应的影响，结合理论计算进而阐明磁熵变的机理和获得巨大磁热效应的途径，解决材料制备、稳定和应用中的关键科学问题；(2)研究稀土分子固体材料中的磁作用机理，结合配位场理论、量子化学计算和磁性量子理论，研究和揭示磁作用中旋轨耦合的贡献；研究稀土分子固体材3+2+料

6、中的磁有序，重点研究含Sm和Eu的磁分子材料，进行各向异性的磁性质研究，结合中子衍射的研究和理论分析，阐明磁各向异性的贡献与方式；研究稀土分子固体材料中的磁驰豫，重点研究化学隔离的某些稀土离子磁驰豫的温度和磁场依赖性，发现新的基于“原子磁体”、“单分子磁体”和“单链磁体”的宏观量子现象，结合量子化学计算来研究和阐明其物理根源；研究复合功能稀土分子固体材料，重点研究光激发的电荷转移引起的磁性质的变化及机理。在光学材料研究中，将充分利用稀土离子4f电子所特有的跃迁和发光行为，研究4f电子在分子固体及其杂化体系中的运动规律、影响因素和传能机制，研究稀土分子固体及其杂化体系的电致发光和

7、红外光放大材料，解决材料的稳定性难题，发展新的相对论含时密度泛函方法和程序，阐明能量传递机理，为相关原理性器件的优化和制备提供科学依据。主要工作内容如下：(1)基于前期“973”项目研究中在稀土分子固体材料所发现的高效率、高色纯度的电致发光效应，通过对发光分子及其与电子和空穴分子间的能量匹配计算和传递机理分析，系统筛选和优化发光分子中的配位基团，使之既与稀土离子稳定地配位和传递能量、又能与电子和空穴传导层具有良好的界面亲合和能量匹配，从而优化分子设计和器件结构，克服目前所面临的材料和器件稳定