物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (10): 1932-1933   (711 KB)    
线性Fe2Co化合物的双向光诱导金属-金属电荷转移
吴凯    
北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871


磁性和极性是功能材料中两个非常重要的性质1。单一的磁化或者极化强度调控可以通过客体分子、压力、光和热等外界刺激实现,其中光调控以其操控简便、响应快速等特点成为研究热点。但是到目前为止,在单个分子中同时实现磁化和极化调控的化合物中,光诱导磁性的改变停留于单向调控的阶段,对极性的调控也仅限于理论推导层面2。实现不同光照条件对材料的双向调控以及实验观测磁性和极性的改变仍是一个很大的挑战。

最近大连理工大学刘涛教授课题组与罗一教授课题组合作,利用不同激光双向调控Fe2Co化合物的电荷转移,首次通过理论和实验手段实现了分子层面磁化和极化强度的双向可逆转变。相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition3。为了实现磁化和极化强度的双向调控,他们设计合成了具有电荷转移行为的线性对称Fe2Co化合物。电荷转移的双向调控可以通过加热和冷却实现,以及808和532 nm的激光诱导产生。在电荷转移过程中,分子本身可以实现中心对称的FeLS(µ-CN)CoHS(µ-NC)FeLS (LS:低自旋,HS:高自旋)构型和不对称的FeLS(µ-CN)CoLS(µ-NC)FeLS构型之间的可逆转变,磁性随之发生改变。同时,由于对称性的破坏,单个分子的极性也发生了明显的变化,进而实现了磁化和极化强度的双向调控。

研究人员做了一系列变温测试,包括红外、紫外和穆斯堡尔光谱以及光照后的磁化率和红外光谱,证明分子内的电荷转移行为。为了证实磁性和极性的变化,研究人员进一步做了电荷转移前后的理论计算以及介电常数测试。基于密度泛函理论的计算结果显示,在对称的高自旋态,单个分子的偶极矩为0.0 D,发生电荷转移后,结构转变为不对称的低自旋态,分子的偶极矩增大为16.7 D,表明电荷转移产生磁性变化的同时,诱导了极性的改变。808和532 nm的激光可以实现高低自旋态的可逆切换,进而双向调控分子的磁性和极性。不同频率的变温介电常数测试表明,在转变前后出现具有频率依赖的介电异常现象,这是由于金属之间的电荷转移引起了局部的极化改变,从而引起了介电异常。研究人员用理论和实验手段证实了电荷转移诱导极性的改变,从而实现了双向的光诱导磁化和极化强度的互变。

这一研究成果利用光热诱导的电荷转移行为,为分子层面的磁化和极化强度的可逆转变提供了新的策略,为发展光调控的磁电多功能材料提供了新的思路。

参考文献
(1) Lebeugle, D.; Colson, D.; Forget, A.; Viret, M.; Bonville, P.; Marucco, J.-F.; Fusil, S. Phys. Rev. B 2007, 76, 024116. doi: 10.1103/PhysRevB.76.024116
(2) Liu, T.; Dong, D. P.; Kanegawa, S.; Kang, S.; Sato, O.; Shiota, Y.; Yoshizawa, K.; Hayami, S.; Wu, S.; He, C.; Duan, C. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4367. doi: 10.1002/anie.201201305
(3) Hu, J.-X.; Luo, L.; Lv, X.-J.; Liu, L.; Liu, Q.; Yang, Y.-K.; Duan, C.-Y.; Luo, Y.; Liu, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2017 doi: 10.1002/anie.201703768