中國科大發(fā)展了一種化學方法實現(xiàn)材料自旋序的可逆調控

中國科學技術大學楊金龍院士課題組李星星團隊提出一種可逆的化學調控自旋的方法：通過在二維金屬有機晶格中的有機配體上發(fā)生互變異構反應來調節(jié)該配體的自旋態(tài)，誘導相鄰的過渡金屬自旋之間的耦合序發(fā)生可逆轉變，進而對材料的電學和磁學等性質進行調制。相關成果以“Chemically Controlled Reversible MagneticPhase Transition in Two DimensionalOrganometallic Lattices”為題發(fā)表于國際知名期刊Nano Letters上。

導讀：

為了實現(xiàn)高性能的自旋電子學器件，開發(fā)一種有效的方法來可逆地調控材料的自旋序是迫切需要的。在這方面，研究者們發(fā)展了適用于不同場景的包括磁場、電場、光場在內的多種物理手段，但是對化學控制自旋的可行性卻少有探索，盡管化學的可調性要豐富的多。事實上，化學修飾，如部分氫化、不對稱邊緣修飾等此前已被用來調節(jié)石墨烯等材料的磁性質，但這些修飾基本上是永久性的、不可逆的。在這項工作中，研究人員提出一種可逆的化學調控自旋的方法，即利用眾所周知的內酰亞胺-內酰胺互變異構反應來誘導二維金屬有機晶格中的磁相變。在原理上，發(fā)生內酰亞胺-內酰胺互變異構反應前后，有機配體前線軌道的原子組成、空間電荷和相位分布、能級位置，甚至自旋態(tài)都可能發(fā)生變化，并對與之直接相連的過渡金屬之間的磁耦合性質產生顯著的影響，比如改變磁耦合強度大小，誘導磁耦合序重新排列。在這項工作中，研究人員主要關注其中的一種情況，如圖1所示：通過內酰亞胺-內酰胺互變異構反應，有機連接體的自旋態(tài)從單重態(tài)轉變?yōu)槎貞B(tài)，進而誘導相鄰過渡金屬之間的磁耦合序發(fā)生從反鐵磁到亞鐵磁的轉變。

圖1.內酰亞胺-內酰胺互變異構反應誘導二維金屬有機晶格發(fā)生磁相變的示意圖。

研究人員通過理論設計的三種二維金屬有機晶格驗證了這種化學調控自旋方法的可行性。以鉻和2,5位羥基取代的吡嗪構造的金屬有機晶格為例(簡記為Cr-pyz)(圖2a，2d)，在內酰亞胺-內酰胺互變異構反應前后，該金屬有機晶格從反鐵磁基態(tài)轉變?yōu)閬嗚F磁基態(tài)(圖2b，2e)，這種轉變進一步誘導材料的電子結構從無自旋極化的普通半導體轉變?yōu)閮r帶和導帶具有100%自旋極化并且極化方向完全相反的雙極磁性半導體(圖2c，2f)。同時，電子帶隙和載流子有效質量也發(fā)生了顯著變化。此外，材料的磁各向異性能在異構反應前后增強了五倍。

圖2.(a-c)內酰亞胺型Cr-pyz金屬有機晶格的幾何結構、基態(tài)自旋密度分布和能帶結構。(d-f) 內酰胺型Cr-pyz金屬有機晶格的幾何結構、基態(tài)自旋密度分布和能帶結構。(a)和(d)中紫色、綠色、灰色、橙色和白色的球分別代表Cr、O、C、N和H原子。(b)和(e)中紅色和藍色分別代表向上和向下的自旋密度。(c)和(f)中黑色、紅色和藍色線分別代表自旋簡并能帶，自旋向上能帶和自旋向下能帶。