固體所發展出室溫金屬有機多鐵設計的理論方案

近日 ，中國科學院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部在設計室溫金屬有機多鐵材料方麵取得進展 ，結合d-p自旋耦合機製和中心對稱破缺有機雜環在二維鉻(Cr)基金屬有機框架中理論預言了多種可在室溫環境工作的磁性多鐵材料 ，為實驗製備和實現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 of d-p Spin Coupling and Structural Inversion Symmetry Breaking”為題發表在國際知名期刊Nano Letters (Nano Letters, 2024, 10.1021/acs.nanolett.4c00210) 。

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換等眾多領域具有極大的應用前景 。自2004年石墨烯被發現以來 ，二維材料的出現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 。目前，盡管二維多鐵性材料的研究已經取得了顯著的進展 ，但大多數研究仍處於理論探索階段 ，並且許多已發現的材料尚無法同時滿足實際應用中的兩個關鍵要求 ：高於室溫的磁性居裏溫度和適宜的鐵電翻轉能壘 。因此 ，迫切需要發展一種自下而上的設計方案 ，以係統地開發和優化二維多鐵性材料 ，確保這些材料能夠滿足實際應用的要求 。

相較於傳統無機材料的結構剛性 ，金屬有機框架（MOF）材料因其豐富的金屬節點和廉價的有機連接體而獨具優勢 。通過調節金屬節點和有機連接體的種類或者空間網格的類型 ，原則上可以很方便地對材料的電子結構和性能進行定製 。例如 ，研究人員前期利用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 ，在係列二維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]中實現了室溫亞鐵磁性 。在此基礎之上 ，李向陽副研究員與中國科大楊金龍院士團隊李星星課題組合作 ，進一步利用d-p自旋耦合機製結合對稱破壞的六元雜環配體 ，對128種構建的二維MOFs進行了係統性篩選 ，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）源於Cr陽離子和配體環之間強的d-p直接自旋交換作用 。研究發現 ，這三種材料都具有合適的鐵電翻轉能壘（0.18- 0.31 eV） ；Cr(1,2-噁嗪)2展示出鐵電性 ，對應的鐵電極化強度為4.24 pC/m ，而另外兩種材料則表現出了反鐵電性 。此外 ，這些MOFs都屬於中等帶隙的雙極磁性半導體 ，材料內部的載流子自旋方向可以利用門電壓很方便地進行翻轉 。

該研究工作得到了國家自然科學基金委 、科技部 、中國科學院和安徽省的資助 。

論文鏈接 ：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00210

圖. 利用d-p自旋耦合與對稱破缺六元雜環設計二維室溫多鐵材料的思路 。