近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部在設(shè)計(jì)室溫金屬有機(jī)多鐵材料方面取得進(jìn)展，結(jié)合 d-p 自旋耦合機(jī)制和中心對(duì)稱破缺有機(jī)雜環(huán)在二維鉻 (Cr) 基金屬有機(jī)框架中理論預(yù)言了多種可在室溫環(huán)境工作的磁性多鐵材料，為實(shí)驗(yàn)制備和實(shí)現(xiàn)二維室溫多鐵提供了理論思路和路線。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊 Nano Letters 上。
 

　　擁有兩種或兩種以上鐵性有序的多鐵性材料，在信息存儲(chǔ)、傳感、自旋電子學(xué)和能量轉(zhuǎn)換等眾多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。自 2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維材料的出現(xiàn)為多鐵性材料的研究提供了新的契機(jī)，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(jīng)取得了顯著的進(jìn)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(wú)法同時(shí)滿足實(shí)際應(yīng)用中的兩個(gè)關(guān)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(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用的要求。
 

　　相較于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)剛性，金屬有機(jī)框架(MOF)材料因其豐富的金屬節(jié)點(diǎn)和廉價(jià)的有機(jī)連接體而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)調(diào)節(jié)金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)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(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行定制。例如，研究人員前期利用Cr陽(yáng)離子與有機(jī)配體陰離子之間的d-p直接自旋耦合作用，在系列二維MOF材料中實(shí)現(xiàn)了室溫亞鐵磁性。在此基礎(chǔ)之上，李向陽(yáng)副研究員與中國(guó)科大楊金龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)李星星課題組合作，進(jìn)一步利用d-p自旋耦合機(jī)制結(jié)合對(duì)稱破壞的六元雜環(huán)配體，對(duì)128種構(gòu)建的二維MOFs進(jìn)行了系統(tǒng)性篩選，最終得到了三種同時(shí)具有室溫亞鐵磁性和鐵電性/反鐵電性的金屬有機(jī)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(yáng)離子和配體環(huán)之間強(qiáng)的d-p直接自旋交換作用。研究發(fā)現(xiàn)，這三種材料都具有合適的鐵電翻轉(zhuǎn)能壘(0.18- 0.31 eV)；Cr(1,2-噁嗪)2展示出鐵電性，對(duì)應(yīng)的鐵電極化強(qiáng)度為4.24 pC/m，而另外兩種材料則表現(xiàn)出了反鐵電性。此外，這些MOFs都屬于中等帶隙的雙極磁性半導(dǎo)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(jìn)行翻轉(zhuǎn)。
 

　　該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。
 

圖. 利用d-p自旋耦合與對(duì)稱破缺六元雜環(huán)設(shè)計(jì)二維室溫多鐵材料的思路。