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(diào)控

中國科學技術(shù)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(diào)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(gòu)反應來調(diào)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(zhuǎn)變，進而對材料的電學和磁學等性質(zhì)進行調(diào)制。相關(guān)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(diào)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(nèi)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(diào)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(diào)節(jié)石墨烯等材料的磁性質(zhì)，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(diào)控自旋的方法，即利用眾所周知的內(nèi)酰亞胺-內(nèi)酰胺互變異構(gòu)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(nèi)酰亞胺-內(nèi)酰胺互變異構(gòu)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(zhì)產(chǎn)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(guān)注其中的一種情況，如圖1所示：通過內(nèi)酰亞胺-內(nèi)酰胺互變異構(gòu)反應，有機連接體的自旋態(tài)從單重態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。

圖1.內(nèi)酰亞胺-內(nèi)酰胺互變異構(gòu)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(diào)控自旋方法的可行性。以鉻和2,5位羥基取代的吡嗪構(gòu)造的金屬有機晶格為例(簡記為Cr-pyz)(圖2a，2d)，在內(nèi)酰亞胺-內(nèi)酰胺互變異構(gòu)反應前后，該金屬有機晶格從反鐵磁基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閬嗚F磁基態(tài)(圖2b，2e)，這種轉(zhuǎn)變進一步誘導材料的電子結(jié)構(gòu)從無自旋極化的普通半導體轉(zhuǎn)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(zhì)量也發(fā)生了顯著變化。此外，材料的磁各向異性能在異構(gòu)反應前后增強了五倍。

圖2.(a-c)內(nèi)酰亞胺型Cr-pyz金屬有機晶格的幾何結(jié)構(gòu)、基態(tài)自旋密度分布和能帶結(jié)構(gòu)。(d-f) 內(nèi)酰胺型Cr-pyz金屬有機晶格的幾何結(jié)構(gòu)、基態(tài)自旋密度分布和能帶結(jié)構(gòu)。(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。