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Angew. Chem. :稀土分子团簇基磁性半导体2024-10-29
磁性半导体(Magnetic semiconductor)是一种同时体现铁磁性(或者类似的效应)和半导体特性的新型先进功能材料,在新型磁存储器、自旋电子器件等功能器件的设计开发上具有巨大的研究价值。实现这类材料在室温下的功能化,即室温磁性半导体,对实现这类材料的实际应用具有重要意义,因此“能否制造出室温下的磁性半导体?(Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature?)”在2005年被《科学》杂志列为125个重要科学问题之一。为了实现室温磁性半导体,发现磁性半导体的新功能及应用,新型磁性半导体的设计合成成为近年的研究热点,科学家们先后在非磁性半导体中部分原子被磁性元素取代形成的稀磁半导体、超薄二维材料、纯有机物、金属有机框架以及掺杂半导体团簇等体系中发现磁性半导体。

原子精确的分子团簇作为基础研究中的重要模型,是研究材料物理性质及构效关系的重要媒介。例如币金属团簇、CdSe团簇等分子团簇以其半导体性质受到广泛关注,而3d金属团簇、稀土团簇等分子团簇则作为分子磁体备受瞩目。半导体分子团簇的金属离子以抗磁金属为主,磁性分子团簇则需要顺磁金属离子,因而分子团簇基的磁性半导体一直没有被开出来。南方科技大学的郑智平教授团队通过使用KC8作为还原剂还原单质碲,合成了稀土基的半导体团簇(Nat. Synth. 2024, 3, 655),近日,该团队选用Dy(III)为金属中心,通过还原剂的调控,成功构筑出两例稀土分子团簇基的磁性半导体。

 

 

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该工作报道的两例分子团簇分别为[Na2(15-crown-5)3(py)][(η5-Cp*Dy)5(Te)6](py)4 (Dy5Te6)和[K(2,2,2-cryptand)]2[(η5-Cp*Dy)6(Te3)(Te2)2(Te)3] (Dy6Te10)。由于还原剂还原性强弱差异,稀土硼氢化物可将碲粉完全还原成Te2-阴离子,形成Dy5Te6,而KC8将碲粉还原成Te2-、Te22-以及Te34-等多种阴离子,与Dy(III)组装成Dy6Te10。这两个化合物也是首例Dy-Te分子配合物。

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单晶结构表明,Dy5Te6中Dy(III)以三角双锥结构分布,六个Te2-阴离子分布在三角双锥的六个面上。Dy6Te10是同时具有三种Te阴离子配体(Te2-、Te22-以及Te34-)的六核球状镧系碲基分子团簇。光谱分析表明,两种分子团簇的光学带隙分别为1.58 eV和1.15 eV。磁学性质分析表明,两种分子团簇在低温下均表现出明显的慢磁弛豫现象,能垒分别为283(22) K和59(3) K。同时具备低的光学带隙和慢磁驰豫,这两个团簇因此可以看做团簇基磁性半导体。分子团簇基磁性半导体明确的分子组成和结构,有望指导新型磁性半导体的构筑,其在有机溶剂中的可溶性,也将简化单层自旋电子器件的制备,有望促进单层或单簇自旋电子器件的发展。

文信息

Lanthanide-Based Molecular Magnetic Semiconductors

Lei Li, You-Song Ding, Zhiping Zheng

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202410019

 

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