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摘 要

ABSTRACT II

第一章 综述 1

1. 1 单分子磁体介绍 2

1.2 单分子磁体的发展 3

1.2.1 3d 过渡金属单分子磁体 3

1.2.2 3d-4f 异核单分子磁体 9

1.2.3 4f 稀土单分子磁体 14

1.3 单分子磁体磁学机理 20

1.3.1 居里-外斯定律 20

1.3.2 范弗列克方程 21

1.3.3 弛豫作用 23

1.3.4 能垒的计算 24

1.3.5 Cole-Cole 图 28

1.4 研究的意义 29

第二章 实验部分 30

2.1 试剂与仪器 30

2.2 合成原理 31

2.3 试验方法 33

2.3.1 2,6-二甲酰基-4-甲基苯酚的合成 33

2.3.2 L-Ni的合成 34

2.3.4 L-Ni-Cu的合成 34

第三章 结果与讨论 36

3.1 核磁和红外表征 36

3.2 讨论：关于实验的几点讨论 38

第四章 结论 40

参考文献 40

致谢 44

摘要

分子磁体是在材料中最重要的元素。它是由自旋载体基团或顺磁性离子（包括过渡金属离子和稀土金属离子）和桥接配体呈现自发磁化特性。分子磁体材料具有以下特征：（1）有机基团的磁性中心是磁性或无机磁性原子，（2）具有重量小，密度轻，容易加工成型等特性（3）由低温有机方法来合成（4）可将磁性能与材料的机械，电学以及光学性能等结合起来，得到符合要求的材料。

关键词：分子磁体，3d-4f单分子磁体，研究进展

ABSTRACT

Molecular magnets are the most important elements in a material. It is composed of spin carrier radicals or paramagnetic ions (including transition metal ions and rare earth ions) and bridging ligands which exhibit the spontaneous magnetization behavior. Molecular magnet material has the following characteristics: (1) organic radicals magnetic center is magnetic or inorganic magnetic atoms, (2) has a density of small, light weight, easy to mold, and so on (3) is synthesized by low temperature organic methods to improve the properties of the material (4) the magnetic properties can be combined with electrical and optical properties of the material, etc.,to meet the requirements.

Keywords: molecular magnets, 3d-4f single-molecule magnet.

第一章 综述

公元前几个世纪，人们发现在自然界中存在一种天然的磁体。由于这种磁体是在一个名叫 Magnesia (亚细亚)的地方发现的，那里出产一种天然磁石——磁铁矿，因此，磁性被命名为 Magnetism。人们对磁性进行科学的认识与研究得益于西方近现代自然科学的发展，奥斯特、安培、吉尔伯特、法拉第等杰出科学家的发明与发现为磁学理论及磁性材料的发展开辟了道路^[1]。信息时代的到来更是促进了磁性材料的发展，在信息的处理及储存方面磁性材料都发挥着极其重要的作用。近年来随着磁性材料及磁学理论的进一步发展，研究分子结构与磁性之间的关系逐渐成为研究的热点。从分子水平上研究具有特殊磁性功能的分子材料近些年来受到重视并已成为当前化学的一个重要领域。

图 1-1 材料磁性的分类^[2]

材料的磁性一般可分为抗磁、顺磁、铁磁、反铁磁与亚铁磁，而这些都是以电子自旋及其绕核运动为基础的。离子(原子)中的电子自旋及绕核运动会产生磁矩，这些电子磁矩的矢量和构成了离子(原子)的磁矩，而这些离子(原子)的磁矩的大小及其在晶格中的排布状况决定了材料整体的磁性。在抗磁材料中所有电子都是成对的，不存在单电子，离子(原子)磁矩为零。这样的材料在外磁场中会产生一个非常弱且与外磁场方向相反的磁矩，其数量级一般为 10-6；其磁化率 χ lt; 0，与温度无关。典型的例子有 NaCl、ZnCl₂等。在顺磁材料中存在单电子，具有离子(原子)磁矩，但由于热扰动，这些磁矩的方向随机分布，材料整体净磁矩为零

不显磁性。这样的材料在外磁场中会产生一个非常弱且与外磁场方向相同的磁矩，其数量级一般为 10^-5且随温度的降低而增大； 其磁化率 χ gt; 0，与温度相关。典型的例子有 FeSO₄、Dy(NO₃)₃等。在铁磁材料中存在离子(原子)磁矩，这些磁矩定向有序排布且方向一致，这使得材料呈现出很强的磁性。这样的材料在外磁场中会产生一个非常强且与外磁场方向相同的磁矩， 其磁化率 χ 远大于 1。^[3]典型的例子有铁、钴、镍等。在反铁磁材料中存在离子(原子)磁矩，这些磁矩大小相同，同样有序排布但方向不同，这使得材料整体净磁矩为零不显磁性。这样的材料在外磁场中会产生一个非常弱且与外磁场方向相同的磁矩；其磁化率 χ gt; 0，与温度相关。典型的例子有MnO、铬等。在亚铁磁材料中存在离子(原子)磁矩，同样有序排布且方向不同，但这些磁矩大小不同，这使得材料整体净磁矩不为零呈现出一定的磁性。^[4]

1. 1 单分子磁体介绍

图 1-2 长程有序示意图

对于常见的磁有序材料，晶格中磁性粒子的磁矩方向是一定的，通过晶格的无限扩展，这些磁矩实现长程有序，从而使材料体现出一定的磁性(如图 1-2)。而在一些特定的分子中，分子内部顺磁离子的磁矩有序排列，而分子间的磁性相互作用却非常弱，这样的材料其总体磁性来源于单个分子的磁矩而不是磁矩长程有序(如图 1-3)。如果这样的分子在磁矩方向翻转时需要跨越一定的能垒(△E = |D|S²，D 为负的磁各向异性，S 为基态自旋)，那么这种化合物就被称为单分子磁体。^[5]对于单分子磁体来说，每一个分子都是一个小磁体，其尺寸在纳米级别且粒径是唯一的。这所带来的小尺寸效应和量子效应，以及其在信号传输效率、响应时间、能量消耗等方面的优势，使得单分子磁体在信息高密度存储、量子计算机等方面具有巨大的潜在应用价值。此外，单分子磁体的磁性来源于单个分子而不是长程有序，无论是将其溶解还是分散到胶质中其磁性均没有大的改变。同时单分子磁体一般为金属有机配合物，其溶解性和分散性都非常出色。因此，单分子磁体在器件的加工方面也有着其他磁性材料所不具备的优势。^[6]

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