中國科大發(fā)現(xiàn)磁性交換新機制實現(xiàn)高居里溫度和強磁性二維鐵磁分子材料

最近，精準智能化學重點實驗室吳長征教授課題組發(fā)現(xiàn)有機分子與無機結構形成磁性交換新機制，獲得高居里溫度（> 400 K）和強磁性（4 emu.g-1）的二維鐵磁分子材料。相關研究成果以“Room-temperature long-range ferromagnetic order in a confined molecular monolayer”為題于2024年1月10日在線發(fā)表在《自然?物理》雜志上（Nature Physics 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02312-z）。

如何操控分子間相互作用實現(xiàn)長程自旋有序在理解和調控微觀尺度的磁性行為以及開發(fā)新型宏觀磁性材料和器件方面具有重要意義。然而，溫度和環(huán)境對分子磁性行為和自旋有序的形成起著決定作用。高溫下，熱漲落會破壞自旋有序使分子間交換作用失效。根據Mermin-Wagner理論預言，二維系統(tǒng)不存在長程自發(fā)磁有序。因此，實現(xiàn)二維室溫鐵磁分子材料面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

為了解決這一挑戰(zhàn)，該團隊以有機分子（二茂鈷（Co(Cp）2）作為磁性基元，基于無機層狀材料層間的限域效應，利用插層化學構建了長程有序的室溫磁性分子單層?；谟袡C-無機（Co(Cp)2/SnS2）超晶格界面處動態(tài)電荷轉移發(fā)展了二維-[Co(Cp)2-S2-- Co(Cp)2-]-共振超交換新機制，實現(xiàn)有機分子基元間長程磁有序結構，得到高的臨界溫度（> 400 K）和弱場下強磁性（4 emu.g-1）的二維鐵磁分子層。通過STM和AFM聯(lián)用的掃描探針顯微技術成功表征出限域在SnS2層間的單個Co(Cp)2分子的取向和形成的單層分子類蜂巢狀陣列，其中相鄰Co(Cp)2分子的電子云相互彌散形成具有的類似石墨烯體系的離域電子態(tài)介導了Co(Cp)2分子之間的自旋交換相互作用。該工作通過調控分子自旋有序，實現(xiàn)新結構的磁性固體，有望為電子技術、信息存儲和量子計算等應用領域提供更好的解決方案。

近年來，吳長征教授、郭宇橋副教授課題組針對二維材料普遍缺乏本征磁性和難以引入凈自旋的科學難點，發(fā)展表界面化學調控途徑在二維體系引入本征磁性新策略。特別是發(fā)展表面配位化學方法，分別獲得了包括二維超順磁（Angew. Chem. 2016, 55, 3176）、自旋阻挫（Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 157202）、近藤效應（Nature Commun. 2016, 7, 11210）、和二維半金屬（Adv. Mater. 2017, 29, 1703123）等新穎量子行為在內的系列二維磁性新結構。進一步利用界面配位化學調控，基于等靜壓調控自旋長程有序（Adv. Mater. 2017, 29, 1700715），通過層數依賴調控自旋有序（Adv. Mater. 2023, 35, 2209365）等，獲得系列二維鐵磁材料。

二維磁性分子單層結構和室溫鐵磁性