中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍課題組李星星團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整有機(jī)連接體的自旋態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)的對稱性/拓?fù)湫栽诙S鉻(Cr)基五元雜環(huán)金屬有機(jī)框架中理論預(yù)言了一類同時(shí)具有五種重要功能特性的單層磁性半導(dǎo)體材料,。這五種功能包括拉脹效應(yīng),，室溫亞鐵磁性，極為罕見的渦旋手性鐵電性,，電學(xué)可控的自旋極化,，以及C4對稱保護(hù)的拓?fù)涔?jié)線/節(jié)點(diǎn)。這類材料是當(dāng)前集成功能最多的一類二維材料,，在磁性,、手性、鐵電,、拓?fù)浜投喙δ懿牧项I(lǐng)域均具有重要影響,。相關(guān)成果以“Quintuple function integration in two-dimensional Cr(II) five-membered heterocyclic metal organic frameworks via tuning ligand spin and lattice symmetry”為題于3月16日發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
導(dǎo)讀：
同時(shí)具備兩個(gè)或以上功能的二維多功能磁性材料在研究新型耦合效應(yīng),、發(fā)展多場耦合調(diào)控方法等基礎(chǔ)領(lǐng)域,，以及實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)、存算一體器件等應(yīng)用領(lǐng)域均具有極大的應(yīng)用潛能,。然而,，當(dāng)前二維多功能磁性材料數(shù)量很少，且能集成的功能僅為兩個(gè)或三個(gè),。如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)功能的二維磁性材料仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn),。考慮到無機(jī)材料結(jié)構(gòu)的剛性和受限的可調(diào)自由度,，我們將注意力轉(zhuǎn)向了結(jié)構(gòu)靈活多變和功能特性多樣的金屬有機(jī)框架材料中,。金屬有機(jī)框架材料是由金屬節(jié)點(diǎn)和廉價(jià)有機(jī)配體組成的多孔材料。通過調(diào)整金屬節(jié)點(diǎn),、有機(jī)配體的種類,，以及它們之間的連接方式，可以將他們應(yīng)用到氣體分離,、傳感和光電子學(xué)等傳統(tǒng)領(lǐng)域或機(jī)電,、磁電和拓?fù)淞孔蛹夹g(shù)等新興領(lǐng)域。在眾多的金屬有機(jī)框架材料中,，過渡金屬Cr原子作為常見的金屬節(jié)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用,，其相關(guān)的平面四配位晶體結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被廣泛合成。例如：Perlepe等人[Science 2020, 370, 587-592]在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)制備出了具有室溫磁性的層狀Li0.7[Cr(吡嗪)2]Cl0.7·0.25(四氫呋喃)晶體,。每一層中的Cr原子均與四個(gè)吡嗪相連形成一個(gè)平面方形晶格,。如果將吡嗪替換成具有空間反演對稱性破缺的有機(jī)配體，引入額外的調(diào)節(jié)自由度，可以進(jìn)一步豐富類似體系的功能特性,。
圖1.二維Cr基五元雜環(huán)金屬有機(jī)框架材料的拉漲效應(yīng),、高溫磁性、手性鐵電,、電場調(diào)控自旋極化和拓?fù)湫?/p>
在這項(xiàng)工作中,，研究人員以Cr為金屬節(jié)點(diǎn)，五元芳香雜環(huán)(1.2.5-噻二唑,，1,2,5-惡二唑,，1,2,5-硒二唑)為有機(jī)配體，獲得了一類具有五種重要功能的二維半導(dǎo)體材料,。這五種功能包括拉漲效應(yīng),、室溫磁性、手性鐵電,、電場可控的自旋極化,，以及拓?fù)湫?圖1)。以Cr(TDZ)2(TDZ=1.2.5-噻二唑)單層為例,，由于其具有反手性方形晶格的特點(diǎn),，在晶格對角線方向上可以產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。同時(shí),，Cr離子與TDZ雙自由基之間強(qiáng)的d-p直接交換耦合作用使其具有室溫磁性。而在晶格結(jié)構(gòu)中存在的順時(shí)針和逆時(shí)針偶極子對,，使其表現(xiàn)出了罕見的手性鐵電性,。這種具有原子尺度的手性鐵電特征，目前僅存在于極其復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)中[Nature 2016, 530, 198-201; Nature 2019, 568, 368-372],。此外,，二維Cr(TDZ)2不僅屬于一類具有電控自旋功能的雙極磁性半導(dǎo)體(BMS)[Nanoscale 2012, 4, 5680]，而且還是一種拓?fù)洳牧?，即在費(fèi)米能級附近存在具有C4晶體對稱性保護(hù)的方形結(jié)點(diǎn)和二次節(jié)線,。著眼于實(shí)際應(yīng)用，一方面這類材料為研究不同功能特性之間的鄰近效應(yīng)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)(圖2),，另一方面,，通過不同功能特性之間的結(jié)合還可以設(shè)計(jì)一些高性能的自旋電子器件，如：超高密度的存儲(chǔ)器件等,。
圖2.二維Cr基五元雜環(huán)金屬有機(jī)框架材料的亞鐵磁性(FiM),、手性(Chirality)、鐵電性(FE),、雙極磁性(BMS)和拓?fù)湫?TL)在近鄰效應(yīng)研究和高性能電子器件制備方面的優(yōu)勢
微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士后李向陽,、武漢工程大學(xué)劉清波、南京郵電大學(xué)唐永森為共同第一作者，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院李星星副教授和楊金龍教授為共同通訊作者,。該研究工作得到了科技部,、自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助,。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12780
（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心,，科研部）
