文 献 综 述

1 单分子磁体

1.1 概述

单分子磁体是指那些在磁场下能够被磁化，当磁场去除后仍能保持磁性的单个分子，其磁化强度对外磁场的曲线会出现磁滞回线。单分子磁体的磁性完全来源于单个分子的本身，而不像常规磁体那样依赖于分子间排列的长程有序和相互作用。

1993 年，Sessoli 研究小组发现［Mn₁₂ O₁₂(O₂CMe)₁₆(H₂O)₄］#183;2 ( CH₃COOH)#183;4H₂O 在低温下具有超顺磁的特性，并将其称为单分子磁体。自此，单分子磁体的研究日益引起科学家的兴趣。单分子磁体通常为金属离子的配位簇合物。与传统的金属、金属合金或金属氧化物组成的纳米级的磁性粒子相比，单分子磁体具有许多重要的优点:(1)单分子磁体由相对独立的分子单元构成，因而具有单一的尺寸和固定的结构。(2) 单分子磁体一般能溶于有机溶剂，这使得以往在特殊条件下才能获得的磁性材料有可能在普通条件下的化学溶液中获得。(3) 单分子磁体的磁性质可通过金属离子和有机配体的选择及合成方法的改进而得到完善。

研究单分子磁体具有重要意义:在基础科学研究方面，单分子磁体中会出现宏观磁体的经典性质和量子效应共存的情况，因此可用来研究在宏观尺度上量子力学行为与经典力学行为的转换。在应用研究方面，单分子磁体在数据存储、信息处理、量子计算、自旋电子学、磁性制冷等方面具有广泛前景。

最初，单分子磁体的研究主要集中在Mn₄、Mn₁₂、Fe₄、Fe₈、V₄等金属簇的化合物，而且其相关研究开展得相当充分。然而，这些单分子磁体呈现磁弛豫效应的温度(阻塞温度T_B) 普遍较低，这使其应用受到很大限制。于是研究者们期望通过合成其他类型单分子磁体来提高阻塞温度，在过渡金属簇合物中引入镧系离子来合成3d-4f 单分子磁体是研究思路之一。2004 年，Matsumoto 研究小组报道了首个3d-4f 单分子磁体［Cu^ⅡL Dy^Ⅲ(hfac)₂］₂。随后的几年，又有多个3d-4f 单分子磁体被陆续合成。

1.2 定义和条件

关于单分子磁体的定义目前尚无统一的说法。文献中已见报道的提法是”如果一个分子在翻转磁矩方向有一定的势能壁垒, 那么这种分子就可以作为单分子磁体”;”单个分子在外磁场的作用下磁化强度对外磁场的曲线中会显示出磁滞回线的现象, 这种分子称为单分子磁体”。作者比较赞同第二种观点。我们认为, 单分子磁体的概念中应该包括两点: 第一是组成上的判据, 即由单个独立的分子构成。第二是性质上的判据, 低温下磁化后会显示出磁滞回线或在交流磁化率的测量中有与外场频率相关的虚部磁化率出现最大值的现象。

一个分子要作为单分子磁体, 必须具备以下两个条件: 一是具有一个大的基态自旋, 大的基态自旋的产生来源于分子内铁磁相互作用或由于特定的拓扑结构而导致的自旋失措的结果, 尤其是后者在多核M n 单分子磁体配合物中更为常见。二是存在明显的负各向异性。各向异性为负值以保证最大的自旋态能量最低。分子基态中的零场分裂是这种各向异性的产生原因, 其来源于分子中单个金属离子(如M n₁₂ 簇的各向异性就来源于M n^Ⅲ离子) 的零场分裂。在以上条件满足时, 单分子磁体在分子磁化强度矢量重新取向时存在一个明显的能量壁垒。从而导致低温下翻转速率减慢, 即磁化强度弛豫作用的发生。

1.3  特征

我们知道，铁磁性物质的特征是其晶格上全部磁矩或磁畴自发地平行排列。如果我们在一个大的金属簇合物分子中每个磁性金属离子的自旋都定向排列，就有可能使一个分子具有了与大块磁体类似的磁结构，从而具有大块磁体才具有的磁性质，这就是单分子磁体。这类簇合物分子大小已达到纳米级范围， 从而使它又具有了纳米粒子的特殊性质和用途。