二硫烯镍基分子磁体:同质异晶、结构相变和磁性质

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分子基磁性材料自上世纪八十年代以来成为一个新兴研究的领域,受到广泛的关注。与传统无机磁体相比,分子基磁性材料最突出的优势在于它的结构可设计、磁性质可调控。  近年来,在分子磁体研究领域,自旋交叉、价异构互变、一维S=1/2 Heisenberg磁链发生spin-Peierls相变等自旋态转变等相关磁现象研究受到磁化学家特别关注。平面型结构的过渡金属(M=Ni,Pd,Pt)二硫烯配合物中未成对电子的自旋密度分布在整个阴离子骨架之中。相邻阴离子可以通过π轨道重叠,或者自旋极化实现彼此之间的磁交换,因此,特别适用于构筑分子基磁体。结合课题组在此领域长期以来的研究积累,我们发现:(1)过渡金属(M=Ni,Pd,Pt)二硫烯配合物的磁性与晶体中的配位阴离子排列结构密切相关,阴离子间相对排列微小的变化都可能导致磁性质显著变化。(2)在晶体中,过渡金属(M=Ni,Pd,Pt)二硫烯配合物堆积结构既与二硫烯配体分子结构有关,也和平衡阳离子结构密切相关。(3)过渡金属(M=Ni,Pd,Pt)二硫烯配合物晶体中仅存在弱的分子间作用,不同堆积结构介稳状态之间存在较小能级差。在结晶过程中,外界条件微小变化,可能导致不同晶相形成。因此,此类配合物易形成同质异晶。  在本博士学位论文工作拟开展两方面的研究(1)选择含硫原子少mnt2-和富硫dmit2-二硫烯配体,制备混配双二硫烯配合物,研究二硫烯配体分子结构与配合物晶体结构之间相关性,为构筑具有新奇磁性的过渡金属二硫烯配合物基分子磁体奠定理论和实验基础。(2)通过研究过渡金属二硫烯配合物中的同质异晶现象,揭示控制形成不同晶相内在因素,为定向结晶具有新颖磁性质的过渡金属二硫烯配合物基分子磁体积累实验数据。本论文分成四部分进行论述。  第一章,系统评述一些常见分子基磁体体系中的磁双稳或磁相变性质,为我们设计和定向制备具有磁双稳和多步相变的分子磁体提供指导和借鉴意义。另外,还介绍了晶体工程中同质异晶,性质以及表征和确定的测试手段和方法;最后,阐述了本学位论文的选题思路。  第二章,通过改变溶剂性质,培养出三组[Ni(dmit)(mnt)]-和[Ni(mnt)2]-基分子磁体同质异晶体,分别为(n-Bu4N)[Ni(dmit)(mnt)](1α和1β),(Pr-Et3N)[Ni(dmit)(mnt)](2α和2β)和(4-CF3bzPy)[Ni(mnt)2](3α和3β)。通过红外光谱、元素分析、粉末X-射线衍射以及测定单晶结构等化学和物理表征方法来确定同质异晶相。最后,对[Ni(dmit)(mnt)]-化合物提纯方法以及有机溶剂对晶相选择性生长进行了相关讨论。  第三章,对比研究了第二章中三组[Ni(dmit)(mnt)]-和[Ni(mnt)2]-基分子磁体同质异晶体的变温晶体结构、磁和相变性质以及介电性质等。由于其晶体堆积方式的不同,同质异晶体表现出不同的磁行为和相变性质。1α晶体结构中阳离子烷基链存在无序;随着温度的变化,烷基链的无序程度发生很大变化,诱导产生了两步热滞磁相变。研究并探讨退火处理对1α晶体结构以及磁行为的影响,揭示了烷基链无序是1α产生新颖磁行为以及介电相变的直接原因。2α和2β由于其空间群和晶体堆积方式不同,导致它们的磁性质不同。3α晶体为二聚型堆积结构,表现出磁双稳,而且具有约50 K的热滞,主要归结于晶格重排过程中的高能垒。3β晶体为一维链堆积结构,在较窄的温度范围内,连续发生同构相变和对称性破损磁相变。同构相变主要归结为阴离子和阳离子新奇的取向移动。另外,在高温范围内,3β表现出介电弛豫,主要由于阳离子中无序的极性CF3基团在电场作用下偶极运动导致的。通过对[Ni(dmit)(mnt)]-基化合物(1α)和[Ni(mnt)2]-基化合物(3α、3β)比较研究可以发现,晶格阳离子的无序对阴离子的堆积方式和体系所表现出的磁行为起着关键作用。  第四章,通过引入相同柔性不对称季铵盐阳离子(Me-Et3N)+和(Bz-Et3N)+到不对称混配的[Ni(dmit)(mnt)]-,[Ni(mnt)2]-和[Ni(dmit)2]-磁性阴离子构筑块中,分别得到了两个系列的分子磁体(Me-Et3N)[Ni(mnt)2](4),(Me-Et3N)[Ni(dmit)2](5)和(Me-Et3N)[Ni(dmit)(mnt)](6)以及(Bz-Et3N)[Ni(mnt)2](7),(Bz-Et3N)[Ni(dmit)2](8)和(Bz-Et3N)[Ni(dmit)(mnt)](9)。通过红外光谱、元素分析、粉末X-射线衍射等测试手段进行表征,并对比研究金属二硫烯构筑块配体性质对阴离子堆积方式和磁性质的影响。
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