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1、第27卷第4期摇摇大学化学Vol.27No.4摇摇2012年8月UNIVERSITYCHEMISTRYAug.2012*分子磁性材料及其研究进展**袁梅摇王新益摇张闻摇高松(北京大学化学与分子工程学院摇北京100871)摇摇摘要摇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,主要包括磁耦合、磁有序、磁弛豫和自旋交叉等几个方面。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。摇摇关键词摇分子磁性摇单分子磁体摇单链磁体摇自旋交叉摇多功能复合磁体摇摇分子磁性材料是一类通过化学方法将自由基或顺磁离子(包括过渡金属离子和稀土
2、金属离子)及抗磁配体以自发组装和控制组装的方式组合而形成的磁性化合物。由于较传统磁体有着密度小、透明度高、溶解性好、易于加工、可控性好等优点,并有望在航天材料、微波材料、信息记录材料、光磁及电磁材料等领域得到应用,所以近年来对分子磁性的研究已经成为化学、物理学以及材料科学等多个领域研[1]究的热点之一。摇摇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,人们可以实现高低自旋态之间的转变,并[2]通过温度、压力、光照等外场实现可控调节;通过研究自旋之间的协同行为,人们可以对磁耦合
3、作用、磁有序温度等进行调节,从而得到各种具有不同体相磁性质的材料。除了常见的抗磁、顺磁、铁磁、亚铁磁和反铁磁性外,在分子磁性材料中还发现了很多新颖和复杂的磁现象,如单分子磁体、单链磁体、自旋交叉等磁性双稳态,spin鄄flop转变,变磁性和弱铁磁性等。化学家希望在分子化合物中实现和观察到这些新的磁现象,给物理学家提供新的研究模型,进而探讨它们的物理机制。本文将对这些分子磁性材料的基本概念和各种磁现象作简单介绍,并对目前的若干研究热点如单分子磁体、单链磁体以及自旋交叉[3鄄5]配合物等作重点介绍。[6鄄10]1摇磁耦合摇摇要得到具有协同磁作用的磁性材料,体系中就必须存
4、在磁耦合。在量子理论中,耦合也称为交换(exchange),最重要的几种交换作用包括直接交换、间接交换、各向异性交换以及偶极鄄偶极交换等。1.1摇直接交换摇摇直接交换(directexchange)作用起源于相邻原子轨道的重叠,仅涉及相邻原子局域的电子自旋,即原子间没有其他原子来隔开传递交换的通路。这种作用主要存在于金属和合金中,而在金属配合物中则可以被忽略。*基金资助:国家自然科学基金项目;科技部项目**通讯联系人,E鄄mail:gaosong@pku.edu.cn2大学化学第27卷摇1.2摇间接交换摇摇直接交换只涉及到局域在原子上的电子,然而体系中还含有其他如导
5、带电子和抗磁原子上的电子等;当涉及这些电子时,就需要间接交换(indirectexchange)作用。它包括超交换作用(superexchange)和RKKY(Ruderman、Kittel、Kasuya和Yosida)作用。摇摇超交换是一种短程相互作用,它通过桥连的抗磁原子的p电子传递,能表现为铁磁或反铁磁作用;从自旋电子的密度分布来看,超交换作用有自旋极化和自旋离域两种不同机理,它是多核配合物和配位聚合物中磁相互作用发生的主要方式,对于分子磁性材料的构筑非常重要。摇摇RKKY机理是指通过磁偶极与导电电子发生相互作用,即以导电电子为媒介而发生的交换;这种作用也能引
6、起铁磁和反铁磁耦合,主要用于解释磁性的金属单质(如Fe、Co、Ni等)或合金的磁学性质。1.3摇各向异性交换摇摇上面所提到的直接交换和间接交换一般是各向同性的,它们只依赖于自旋的相对取向。而各向异性交换(anisotropicexchange)则对自旋相对于晶轴的相对取向敏感。考虑旋轨耦合时,就会产生各向异性交换,包括单离子各向异性和DM(Dzyaloshinski鄄Moriya)反对称相互作用。摇摇单离子各向异性的交换作用是指由于晶体场的存在,旋轨耦合所导致的各向异性交换,包括Ising模型和XY模型。其中,Ising模型被称为单轴各向异性,由于它最容易进行理论处
7、理,所以被广泛研究,它是单分子磁体和单链磁体中最重要的一个特征。而XY模型被称为易面各向异性,也在一些体系中域4被观察到。Co的T基态由于具有较大的轨道剩余和旋轨耦合,所以具有较大的各向异性;Ising和XY域域这两种不同的各向异性在Co的化合物中都被观察到过。所以,对Co磁性化合物的研究相当有趣,然[9鄄10]而也较为困难。摇摇DM相互作用是一种反对称相互作用,其交换机理是自旋之间通过旋轨耦合所发生的间接作用;这种作用在分子磁体研究中也非常重要,是解释弱铁磁体中自旋倾斜现象的基础。1.4摇偶极鄄偶极作用摇摇上述各种交换作用均基于量子理论,另外还有一种基于经典磁
