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分子磁体


□ 王天维 游效曾

  摘 要分子基材料是化学和材料科学中的重要分支.分子磁体有着与传统块材磁体不同的特性和用途.文章简要介绍了分子磁体的基本原理、主要研究领域和当前的进展.
  关键词分子基材料,分子磁体,多功能材料
  
  Molecular magnets
  WANG Tian-WeiYOU Xiao-Zeng
  (State Key Laboratory of Coordination Chemistry,School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University, Nanjing National Laboratory of Microstructures, Nanjing 210093, China)
  
  AbstractThe study of molecule-based materials is an important branch in chemistry and materials science. Molecular magnets have different properties and applications from bulk magnets. In this paper, the basic principle, main research aspects and current development of molecular magnets will be briefly addressed.
  Keywordsmolecule-based materials, molecular magnets, multifunction materials
  
  1 引言
  
  磁性材料有着悠久的历史.古代中国就发现了磁石并应用于指南针.磁性的理论研究则开始于数百年前欧洲法拉第等科学家.传统的磁性材料为Nd2Fe14B之类的合金和Fe12O19之类的金属氧化物.根据其组成以离子或原子为基础的特征,可称之为原子基磁体,其特点是在高温下合成以金属键或离子键结合的无机磁体.随着高新技术的发展,出现了以[FeCp*2] (Cp*表示五甲基茂基C5H5(CH3)5)之类含有Cp*等有机成分的分子为基块(building block)的所谓分子基磁性材料,其特点是在低能耗的低温条件下合成,易于通过分子裁剪来调节其结构和功能,并易于和生物体系相容.虽然磁能密度较低,但质量密度也较小.分子磁体由于其独特的性质,很快成为研究的热点[1,2].
  由于大多数化合物通过其组成单元间电子转移而形成离子键或通过电子共享而形成共价键物质时,其自旋相反的电子(自旋量子数s的磁分量ms为+1/2和-1/2,分别标记为↑和↓)配对而不产生净自旋S及相应的磁矩,故常不呈现磁性.反之,当物质是由含有未成对电子的分子所组成,则由于分子中净自旋的存在而导致物质的磁性.可以将每个原子自旋或分子总自旋S所引起的磁矩μ看成一个小磁铁(常称为磁子).通常,对于这种分子磁子系统,定义含有1摩尔分子的物质所产生的宏观磁矩记为磁化强度M.在没有外磁场H和高温T时,由于磁子的无序取向而不呈现宏观磁性,但磁化强度M会随着温度T的降低和磁场强度H的增强而升高.从统计力学可以近似地导出其平均磁矩μ-的居里近似公式:
  μ-=μ2H3kT,(1)
  其中k为玻尔兹曼常数.根据样品在外磁场H(通常将外磁场方向定义为z方向)下所呈现不同M值变化这类宏观实验结果,可以将磁性物质分为几种类型: 抗磁性(diamagnetic,也称为反磁性,无净自旋,由楞次定律感应产生与外场相反的弱感应磁场),顺磁性(自旋无序),铁磁性(自旋平行,↑↑),反铁磁性(自旋反平行,↑↓),亚铁磁性(自旋反平行,但方向相反的两个自旋值不相等,↑↓),倾斜铁磁性(自旋反平行,但结构因素迫使两个自旋不能达到方向完全相反,以致于留下剩余净自旋,↗↘)和变磁性(metamagnetic,反铁磁性到铁磁性的转变)磁体(见图1)[2,3].
  
  图1 不同磁性物质磁化强度M和外加磁场H关系示意图
  (其中TCNE为四氰基乙烯;TCNQ为四氰基苯醌)
  
  目前的分子磁体按其组成大体可以分为3类:
  (1)有机化合物:大多为含有末成对电子的共轭大环结构的有机自由基,例如图2所示的第一个磁性有机化合物Galvinoxyl [1].其特点是密度小,但基态自旋S不可能很高,否则不稳定,因此其磁性都很弱.
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摘自:物理 2008年第11期  
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