中國科學技術大學楊金龍院士團隊李星星課題組結(jié)合d-p自旋耦合機制和中心對稱破缺有機雜環(huán)在二維鉻(Cr)基金屬有機框架中理論預言了多種可在室溫環(huán)境工作的磁性多鐵材料,，為實驗發(fā)展實際可用的二維室溫多鐵提供了理論思路和路線。相關成果以“A Route to Two-Dimensional Room-Temperature Organometallic Multiferroics: The Marriage ofd-pSpin Coupling and Structural Inversion Symmetry Breaking”為題于3月7日發(fā)表在國際知名期刊NanoLetters上,。
導讀：
擁有兩種或兩種以上鐵性有序的多鐵性材料,，在信息存儲、傳感,、自旋電子學和能量轉(zhuǎn)換等眾多領域具有極大的應用前景,。自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維材料的出現(xiàn)為多鐵性材料的研究提供了新的契機,，開辟了器件微型化和高度集成化的新途徑,。截至目前，盡管二維多鐵性材料的研究已經(jīng)取得了顯著的進展,，但大多數(shù)研究仍處于理論探索階段,，并且許多已發(fā)現(xiàn)的材料尚無法同時滿足實際應用中的兩個關鍵要求：高于室溫的磁性居里溫度和適宜的鐵電翻轉(zhuǎn)能壘。因此,，迫切需要發(fā)展一種自下而上的設計方案,，以系統(tǒng)地開發(fā)和優(yōu)化二維多鐵性材料，確保這些材料能夠滿足實際應用的要求,。
圖1.利用d-p自旋耦合與對稱破缺六元雜環(huán)設計二維室溫多鐵材料的思路
相較于傳統(tǒng)無機材料的結(jié)構(gòu)剛性,，金屬有機框架（MOF）材料因其豐富的金屬節(jié)點和廉價的有機連接體而獨具優(yōu)勢。同時,，通過調(diào)節(jié)金屬節(jié)點和有機連接體的種類或者空間網(wǎng)格的類型,，原則上可以很方便地對材料的電子結(jié)構(gòu)和性能進行定制。例如,，我們之前通過利用Cr陽離子與有機配體陰離子之間的d-p直接自旋耦合作用,，在系列二維MOF材料[J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 109；Sci. China Chem. 2021, 64, 2212,；Nano Lett. 2022, 22, 1573,；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 7869]中實現(xiàn)了室溫亞鐵磁性。在本工作中,，我們進一步利用d-p自旋耦合機制結(jié)合對稱破壞的六元雜環(huán)配體,，對128種構(gòu)建的二維MOFs進行了系統(tǒng)性篩選，最終得到了三種同時具有室溫亞鐵磁性和鐵電性/反鐵電性的金屬有機多鐵材料,，即Cr(1,2-噁嗪)2,、Cr(1,2,4-三嗪)2和Cr(1,2,3,4-四嗪)2,。這些MOFs中的室溫磁序（306-495 K）源于Cr陽離子和配體環(huán)之間強的d-p直接自旋交換作用。同時,，Cr(1,2-噁嗪)2展示出了鐵電性,，對應的鐵電極化強度為4.24 pC/m，而另外兩種材料則表現(xiàn)出了反鐵電性,。值得注意的是,，這三種材料都具有合適的鐵電翻轉(zhuǎn)能壘（0.18- 0.31 eV）。此外,，這些MOFs都屬于中等帶隙的雙極磁性半導體,，材料內(nèi)部的載流子自旋方向可以利用門電壓很方便地進行翻轉(zhuǎn)。
中國科學技術大學化學物理系博士馮青青為第一作者,，化學與材料科學學院李星星教授和科學島分院/固體物理研究所李向陽副研究員為共同通訊作者,。該研究工作得到了自然科學基金委、科技部,、中國科學院和安徽省的資助,。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00210
（化學與材料科學學院、科研部）
