空气稳定的高性能大环镝单离子磁体

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220008

摘要/Abstract

摘要：

设计、合成空气稳定的高性能单分子磁体对实现单分子磁体在高密度信息存储、量子计算和分子自旋器件等方面的应用具有非常重要的意义。本文以镝离子为模板，通过N，N'-二（2-氨乙基）-1，3-丙二胺与2，6-二乙酰基吡啶原位缩合构筑了一个空气稳定的五角双锥构型的大环镝单离子磁体。单晶X射线衍射表明，镝离子处于赤道大环内部，其轴向位置被2个三苯基硅醇氧负离子占据，抗衡离子为四苯基硼负离子。静态磁性测试表明室温时该化合物的χ_MT值为13.96 cm³·K/mol，接近单个自由镝离子的理论χ_MT值14.17 cm³·K/mol，动态磁性测试表明，该化合物在零场下具有典型的单分子磁体行为，各向异性能垒高达1008 K。磁构关系研究表明，其优异的单分子磁体性能主要源于镝离子D_5h的局部对称性和三苯基硅醇氧负离子提供的强轴向型晶体场。另外，该化合物在空气中十分稳定，热重分析结果表明，其热分解温度高达297 ℃，为实现单分子磁体在导电基质表面的沉积打下基础。

关键词: 单离子磁体, 镝离子, 晶体场, 有效能垒

Abstract:

Designing and preparing air-stable high-performance single-molecule magnets （SMMs） is of great significance toward the implementation of SMMs in high-density information storage， quantum computation and molecular-based spintronics devices. Herein， an air-stable macrocyclic Dy（III） single-ion magnet with pentagonal bipyramidal local symmetry is obtained by the reaction between N，N'-bis（2-aminoethyl）-1，3-propanediamine and 2，6-diacetylpyridine with the dysprosium ion as template. Single crystal X-ray diffraction reveals that the dysprosium ion is encapsulated in the equatorial plane with BPh₄^- as counter anion and the axial position is occupied by two Ph₃SiO^-. The state magnetic measurements gives the χ_MT value of 13.96 cm³·K/mol at room temperature， close to the theoretical value of 14.17 cm³·K/mol for one isolated Dy（III） ion. The dynamic magnetic measurements confirm its typical SMM behavior under a zero dc field with the effective magnetic reversal barrier up to 1008 K. Magneto-structural investigations show that the excellent SMM properties are attributed to the D_5h local symmetry and the strongly axial crystal field created by two Ph₃SiO^- for the dysprosium ion. Thermogravimetric analysis indicates that the compound is extremely air stable and the decomposition temperature reaches up to 297 ℃， which provides a promising avenue for depositing high performance SMMs on conductive substrate surfaces.

Key words: Single-ion magnet, Dysprosium ion, Crystal field, Anisotropy barrier

中图分类号:

O646.8

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图/表 6

图示1 ［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2的合成路线

图1 化合物［Dy1（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2的阳离子结构（A）以及赤道平面结构（B）。镝：黄绿色；氧：红色；氮：蓝色；硅：橘色；碳：灰色。氢原子、四苯基硼负离子、溶剂分子均被省略

Fig.1 Cationic structure （A） and equatorial plane （B） of ［Dy1（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2. Dy， yellow green； O， red； N， blue； Si， orange； C， gray. Hydrogen atoms， solvent molecules and BPh4- are omitted for clarity

图2 在1000 Oe外加直流场下，化合物［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2的χMT值对温度T的依赖曲线

Fig.2 Temperature dependence of χMT values for compound ［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2 under a DC field of 1000 Oe

图3 在5.0、3.0和1.9 K时，化合物［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2磁化强度依赖磁场的变化曲线

Fig.3 Field dependence of magnetization for compound ［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2 at temperatures of 5.0， 3.0 and 1.9 K

图4 在零直流场下，化合物［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2在2.0~66 K的温度范围内，虚部交流磁化率对频率的依赖曲线

Fig.4 Frequency dependence of the out-of-phase χ″ ac susceptibility data for ［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2 in temperature range of 2.0~66 K under a zero dc field

图5 化合物［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2的lnτ 对T的依赖曲线，实线代表全程拟合

Fig.5 Temperature dependence of the relaxation time in the form of natural logarithm for compound ［Dy（LN5）（Ph3SiO）2］（BPh4）·CH2Cl2， the solid line represents the best fit to the overall magnetic relaxation process

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