单分子磁体

稀土单分子磁体磁各向异性的理论研究
随着近几年来稀土单分子磁体（Rare Earth Single Molecule Magnets，简称RESM）研究热潮的升温，稀土单分子磁体的磁各向异性被越来越多的学者所关注，引起了众人的关注。

因此，磁各向异性的理论研究成为未来稀土单分子磁体的发展一个重要的研究方向。

一、磁各向异性的概念
磁各向异性（magnetic anisotropy），即材料磁性特性随向量旋转方向变化，将其
折射成一种特殊的方向性。

也就是说，材料磁性能力只有在特定的方向上才有强烈的表现力，这就是磁各向异性的作用。

二、磁各向异性的研究目的
研究磁各向异性的目的是为了更加深入的了解磁性材料的性能，并且为磁性材料的微米尺度制造、存储磁记忆等提供研究基础。

三、稀土单分子磁体的磁各向异性
（1）稀土六配位单分子磁体（R6SMs）。

R6SMs试图通过调节其稀土核心结构，来改善其磁各向异性，以增强其磁力及稳定性。

四、磁各向异性的理论研究
（1）基于简单多电子结构的理论模型。

该研究方法借助简单多电子结构对稀土核
心结构进行描述建模，通过调制其结构参数来调控它们的磁各向异性，并加以分析。

总之，就稀土单分子磁体的发展而言，磁各向异性的理论研究就显得极为重要，只有通过深入的理论研究，才能够更好地推动稀土单分子磁体的发展。

材料化学实验吉林大学化学学院实验一Mn12单分子磁体的合成一、实验目的1. 了解单分子磁体的基本性质。

2. 掌握[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]的合成方法。

二、实验原理单分子磁体是近二十年来才发展起来的一种新型磁性材料。

不同于传统的磁性材料，单分子磁体的磁性并不是由分子间的长程有序相互左右产生的，而是由单个分子内自旋中心的相互作用而产生的。

所以单分子磁体具有体积小、尺寸单一、可溶性好等一些其他材料无法替代的优点。

这使得其在高密度存储、量子计算机等方面有着巨大的潜在应用价值。

[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]是1993年由Roberta Sessoli、Hui Lien Tsai 等发现的第一个具有单分子磁体性质的化合物。

其结构可以看成是由四个Mn(Ⅳ)为核心，八个Mn(Ⅲ)环绕在周围的结构。

[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]分子，紫色球为Mn(Ⅳ)，蓝色球为Mn(Ⅲ)，红色球为O制备[Mn12O12 (O2CMe) 16 (H2O) 4 ]是一个氧化还原反应，要在适当的条件下由高锰酸钾氧化醋酸锰得到目标产物，同时控制反应温度以提高产率。

反应方程式为：44Mn(CH3COO)2·4H2O+16KMnO4+18CH3OOH =5[M n12O12(CH3COO)16(H2O)4]·2CH3COOH·4H2O+16K(CH3COO)+140H2O三、实验仪器和试剂1. 仪器100ml烧瓶1个50ml量筒1支电子天平1台控温磁力搅拌器1台循环水真空泵1台布式漏斗1个抽滤瓶1个磁力搅拌子1个研钵1个X射线粉末衍射仪2. 试剂去离子水冰醋酸A.R.醋酸锰A.R. 高锰酸钾A.R.四、实验步骤1.在40ml 60%的醋酸溶液中加入醋酸锰4.04g 16.5mmol，搅拌使醋酸锰完全溶解。

2.取高锰酸钾1.00g 6.33mmol，研细，在搅拌下将研细的高锰酸钾加入到醋酸锰溶液中，搅拌使高锰酸钾完全溶解（约5～10分钟）。

单分子磁体与分子自旋电子材料Single-Molecule Magnets and Materials of MolecularSpintronics姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*南通大学化学化工学院摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。

这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。

分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。

建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。

本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。

关键词:自旋电子单分子磁体磁性质1、引言在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。

近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。

人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。

在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。

新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。

后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。

分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。

作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。

其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。

建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。

此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。

单分子磁体的制备及其磁性质研究单分子磁体（Single-Molecule Magnets，简称SMMs）是一种具有特殊磁学性质的分子。

由于其特殊的磁学性质，单分子磁体已成为磁性材料研究领域的热点之一。

在此，将介绍单分子磁体的制备及其磁性质研究的相关内容。

一、单分子磁体的概念及特征单分子磁体一般由一个或多个金属离子和有机配体组成。

所含的磁性金属离子在配体的帮助下，可以形成具有磁性的“单分子”。

与普通的磁性材料不同，单分子磁体是非常小的，其大小一般在数纳米以下。

单分子磁体的最大特征是具有磁性滚珠的行为。

即在外层磁场的作用下，单分子磁体的自旋可以上下翻转，呈现类似于磁滚珠的磁性行为。

而SMMs磁滚珠的大小一般在几个纳米左右，这使得其具有优异的磁性性质。

二、单分子磁体的制备单分子磁体的制备是一个非常复杂的过程，需要设计新的配体分子并通过化学合成制备。

一般而言，单分子磁体的制备分为以下几个步骤：1、选择合适的金属离子。

通常使用的金属离子如铁、锰、铜、铬以及钴等。

2、制备配体分子。

常见的配体分子如porphyrin、phthalocyanine等。

3、将金属离子与配体分子作用。

制备单分子磁体是一种典型的自组装过程，金属离子与配体分子之间的作用力进而促进单分子磁体的形成。

4、对制备好的单分子磁体进行物理和化学表征。

磁学能级结构测量是单分子磁体表征的核心之一。

一般情况下，磁学测量需要通过其他技术手段（如电子顺磁共振、核磁共振等）来进行协助。

三、单分子磁体的磁性质研究单分子磁体的磁性质涵盖了多方面。

其中最重要的特征之一是单分子磁体对于外部磁场的响应行为。

对于磁斯托克差分（Magnetization）行为的研究被认为是研究SMMs的入门关键。

研究表明，单分子磁体的磁滚珠行为是非常稳定的，通常具有极长的自旋时间（spin relaxation）这也让单分子磁体成为了可高拓展的磁存储设备的一个热门发展方向。

此外，单分子磁体还具有潜在的应用价值，例如可应用于磁性催化、量子计算和磁性能量转换等领域。

作为单分子磁体的金属氧簇合物的研究进展1江国庆1,2 王素娜1李菲菲1白俊峰1*游效曾11南京大学配位化学国家重点实验室 南京 2100932南通大学化学化工学院 南通 226003E-mail:bjunfeng@摘要：在过去的几年中,金属氧簇合物作为单分子磁体引起了科学家的浓厚兴趣，本文将从合成、结构和性质等方面，结合最新进展对Mn和Fe金属氧簇合物作一简要概述。

关键词:单分子磁体, 金属氧簇合物, 纳米材料，磁性1．引言自从1993年人们发现首例单分子磁体[Mn12O12(O2CMe)16(H2O)4]·2(CH3COOH)·4H2O[1,2]以来，作为单分子磁体（SMMs）的金属氧簇合物因其独特的磁性质引起了科学家的关注[3-8]，并取得了很大的进展。

单分子磁体提供了由单个分子构成的第一个真正意义上的单分散的纳米磁体，即由分立的、从磁学意义上讲是没有相互作用的纳米尺寸的分子单元而不是由三维扩展晶格(如金属、金属氧化物等)构成的磁体。

单分子磁体是一种可磁化的磁体，在阻塞温度下，显示磁滞现象，其显示的磁量子隧穿效应（QTM）[3,4]是解释磁现象的量子力学和经典力学之间的桥梁[4-7]。

另外，单分子磁体有各种潜在的用途，如高密度信息储备和量子计算[8]。

大多数单分子磁体是高核金属簇合物，可由相对简单的试剂通过溶液法或水热法[9,10,11,12]制得，且容易提纯，溶解性好（能溶解常用有机溶剂如MeCN、CHCl2），在溶液2中能保持其结构，并可以包埋在聚合物中，这正迎合了未来应用的要求，例如在薄膜上的应用。

本文列举了几个近期报道的Mn、Fe簇合物，对其组装、结构与磁性质作以综述。

2．组装策略目前报道的单分子磁体有Mn84[13]、Mn30 [14,15]、 Mn25[16]、Mn21[17]、Fe9[18]、Fe4[19,20]等，其合成策略主要有：（1）选择合适的配体与金属盐反应后重结晶得到，例如，[Mn25O18(OH)2(N3)12(pdm)6(pdmH)6](Cl)2•12MeCN是用MnCl2•4H2O与pdmH2（pdmH2是2,6-吡啶甲二醇）和NaN3在MeOH/MeCN溶液中，用NMe4OH处理得到；单分子磁体[Fe9(N3)2(O2CMe)8{( 2-py)2 CO2}4]是用Fe(O2CMe)2·1.75H2O与配体(2-py)2CO2（py是吡啶）通过简单的溶液法反应得到。

功能材料生物材料1.定义：生物材料，即生物医学材料，指以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命材料。

另有定义：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。

2.分类：（1）按应用性质分类：抗凝血材料、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料、生物粘合材料、缓释材料、假体材料。

（2）按属性分类：天然生物材料：再生纤维、胶原、透明质酸合成高分子生物材料：硅橡胶、聚氨酯、尼龙、涤纶金属材料：不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金无机生物医学材料：碳素材料、生物活性陶瓷、杂化生物医学材料：天然材料与合成材料的杂化复合生物医学材料：用碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷3.医用金属材料（1）定义：医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。

是一类生物惰性材料，除具有良好的生物力学性能及相关的物理性质之外，还必须具有良好的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。

（2）常用医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金、贵金属、纯金属钽、铌、铬。

4. 医用高分子材料（1）天然高分子生物材料天然蛋白质材料：胶原蛋白、纤维蛋白天然多糖类材料：纤维素、甲壳素、壳聚糖纤维素：葡萄糖经糖苷键连接而成的甲壳素：属于氨基多糖，是仅有的具明显碱性的天然多糖壳聚糖：甲壳素除去部分乙酰基后的产物（甲壳素的衍生物）（2）合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨酯（PU）、环氧树脂、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）5. 其他生物医学材料无极生物医学材料：生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料杂化生物材料6. 生物材料的发展趋势：复合型、杂化型、功能型、智能型7. 纳米医学材料生物材料的性能生物功能性、生物相容性1. 生物相容性（1）定义：指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。

用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为（2）分类：血液相容性、组织相容性、力学相容性（3）生物体对生物材料的响应：宿主反应生物学反应：血液反应、免疫反应、组织反应（4）生物体对生物反应的变化：急性全身反应、慢性全身反应、急性局部反应急性局部反应（5）材料在生物体内的响应：材料反应材料反应导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能，分为3方面：金属腐蚀、聚合物降解、磨损。