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二维室温铁磁/二维有机反铁磁材料研究取得进展
2020-04-22| 作者:刘财兴 | 【 【打印】【关闭】

 磁性材料是自旋电子器件的基础。二维磁性材料的研发为未来尺寸更小、能耗更低的自旋电子学器件的实现提供了可能,因而成为了材料物理领域的新宠。目前,该领域有两个方面的研究备受关注:其一是提高二维体系的居里温度,最好能到室温以上;其二是拓展二维磁性材料的类型,除了无机的还需要有机的,除了铁磁的还需要反铁磁的。近期,强磁场中心与固体所的科研人员合作,理论与实验相结合,对二维铁磁/反铁磁材料开展了系列研究,在二维磁性材料居里温度提升(室温铁磁碳纳米片)、二维磁性材料类型拓展(二维有机反铁磁聚合物)方面分别取得了进展。相关成果分别发表在Journal of Physical Chemistry C 和 Polymer Chemistry (内封面)期刊上。 

目前,大多数二维磁性是通过机械剥离三维磁性晶体来实现的。这类体系的本征居里温度普遍较低(< 250 K)。提高居里温度,除了元素掺杂、外场调控,缺陷工程也是重要的备选方案之一。已有理论和实验证实,在非金属、轻元素系统中的s-p电子间也可以建立强的磁性耦合,而且有可能实现高于室温的转变温度。因此在原本的非磁二维材料上,通过缺陷工程(掺杂、吸附、点缺陷、边缘、自由基等)引入磁性也是极具前景的,这种非本征磁性有望实现更高的转变温度。通过合作研究,项目组用武兹反应合成内嵌石墨纳米晶的无定形碳纳米片,并发现由石墨纳米晶的锯齿形边界(zigzag edge)引起的室温铁磁强度可达0.22 emu/g,比此前报道的点缺陷诱导的石墨室温铁磁强度大两个数量级。结合进一步的实验和第一性原理计算,研究者发现碳纳米片的磁性主要依赖于锯齿形边界间的距离,随着距离由3.6nm减小0.8nm,边界间的磁性耦合由铁磁转变为反铁磁。室温铁磁性是二维磁性材料走上应用的前提,这些发现为碳基磁性材料的应用提供了可行性。 

另一方面,在大量无机二维磁性材料研究的背后,二维有机磁性材料的制备仍面临挑战。迄今为止,仅发现一种二维有机铁磁材料,具有反铁磁行为的二维有机材料更是有待开发。项目组首先设计并合成了三(2,3,5,6-四氯-4-乙炔基苯基)甲基自由基作为单体,然后通过自由基单体在液/液界面的聚合,制备了独立的二维有机磁性聚自由基(OMP)纳米片。通过自由基之间的磁交换耦合,获得的二维OMP纳米片具有反铁磁特性,奈耳温度达到42.5 K。据我们所知,这是首次展示具有反铁磁特性的新型二维有机结构人工材料,该材料可作为二维有机自旋电子器件的基本组成部分(该工作获得了审稿人的高度评价,并被Polymer Chemistry选为当期内封面)。 

上述研究工作获得了国家自然科学基金,国家重点研发专项、中科院前沿科学重点研究项目的支持。 

文章链接地址: 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c01986 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py01287c#!divAbstract 

 

  图1:锯齿形边界导致的室温铁磁性碳纳米片示意图

 

  图2:二维反铁磁聚自由基纳米片的封面以及磁性数据


 

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