中国科大杨金龙课题组李星星团队JACS：理论设计五重功能集成的二维铬基磁性半导体

导语

二维多功能磁性材料蕴含着丰富的物理化学特性，在研究新型耦合效应、发展多场耦合调控方法等基础领域以及实现超高密度存储、存算一体器件等应用领域均具有极大的应用潜能。然而，当前二维多功能磁性材料的数量很少，且能集成的功能仅为两个或三个。如何设计实现具有多个功能的二维磁性材料仍然是一个巨大挑战。考虑到这一点，中国科学技术大学杨金龙课题组李星星团队通过调整有机连接体的自旋态和晶体结构的对称性/拓扑性在二维铬(Cr)基五元杂环金属有机框架中理论预言了一类同时具有五种重要功能特性的单层磁性半导体材料。这五种功能包括拉胀效应、室温亚铁磁性、极为罕见的涡旋手性铁电性、电学可控的自旋极化以及C4对称保护的拓扑节线/节点。这类材料是当前集成功能最多的一类二维材料，在磁性、手性、铁电、拓扑和多功能材料领域均具有重要影响。相关研究成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.2c12780）。

前沿科研成果

同时具有拉胀效应、室温亚铁磁性、涡旋手性铁电性、电学可控的自旋极化及C4对称保护的拓扑节线/节点的二维Cr基五元杂环金属有机框架单层材料

随着科学技术的不断进步和发展，二维多功能磁性材料已经在无机材料中取得了引人注目的成果。然而，考虑到无机材料结构的刚性和受限的可调自由度，我们将注意力转向了结构灵活多变和功能特性多样的金属有机框架材料中。金属有机框架材料是由金属节点和廉价有机配体组成的多孔材料。通过调整金属节点、有机配体的种类及它们之间的连接方式，可以将他们应用到气体分离、传感和光电子学等传统领域或机电、磁电和拓扑量子技术等新兴领域。在众多的金属有机框架材料中，过渡金属Cr原子作为常见的金属节点已被广泛应用，其相关的平面四配位晶体结构也已经被广泛合成。例如：Perlepe等人（Science2020, 370, 587-592）在实验上已经制备出了具有室温磁性的层状Li0.7[Cr(吡嗪)2]Cl0.7·0.25(四氢呋喃)晶体。每一层中的Cr原子均与四个吡嗪相连形成一个平面方形晶格。如果将吡嗪替换成具有空间反演对称性破缺的有机配体，引入额外的调节自由度，可以进一步丰富类似体系的功能特性。

图1. 二维Cr基五元杂环金属有机框架材料的拉涨效应、高温磁性、手性铁电、电场调控自旋极化和拓扑性（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在这项工作中，研究团队以Cr为金属节点，五元芳香杂环（1.2.5-噻二唑、1,2,5-恶二唑、1,2,5-硒二唑）为有机配体，获得了一类具有五种重要功能的二维半导体材料。这五种功能包括拉涨效应、室温磁性、手性铁电、电场可控的自旋极化以及拓扑性（图1）。以Cr(TDZ)2 (TDZ=1.2.5-噻二唑)单层为例，由于其具有反手性方形晶格的特点，在晶格对角线方向上可以产生负泊松比效应。同时，Cr离子与TDZ双自由基之间强的d-p直接交换耦合作用使其具有室温磁性。而在晶格结构中存在的顺时针和逆时针偶极子对，使其表现出了罕见的手性铁电性。这种具有原子尺度的手性铁电特征，目前仅存在于极其复杂的异质结中（Nature2016, 530, 198-201; Nature2019, 568, 368-372]。此外，二维Cr(TDZ)2不仅属于一类具有电控自旋功能的双极磁性半导体（BMS）（Nanoscale2012, 4, 5680），而且还是一种拓扑材料，即在费米能级附近存在具有C4晶体对称性保护的方形结点和二次节线。着眼于实际应用，一方面这类材料为研究不同功能特性之间的邻近效应提供了一个良好的平台（图2），另一方面，通过不同功能特性之间的结合还可以设计一些高性能的自旋电子器件，如：超高密度的存储器件等。

图2. 二维Cr基五元杂环金属有机框架材料的亚铁磁性（FiM）、手性（Chirality）、铁电性（FE）、双极磁性（BMS）和拓扑性（TL）在近邻效应研究和高性能电子器件制备方面的优势（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

该工作近期发表在美国化学学会期刊Journal of the American Chemical Society上（J. Am. Chem. Soc.,2023, DOI: 10.1021/jacs.2c12780），文章的通讯作者是中国科学技术大学杨金龙教授和李星星副教授。文章的第一作者是中国科学技术大学李向阳博士后、武汉工程大学刘清波副教授、南京邮电大学唐永森讲师。该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中国科学院和安徽省等的资助。

课题组简介

研究领域：理论与计算化学

主要包括以下六个方向：

一：低维纳米材料的理性设计与功能化

二：固体表面的结构与催化机理

三：单分子器件的输运性质与量子调控

四：新的电子结构计算方法与计算程序

五：原子团簇的成键理论与激发态光谱

六：扫描隧道显微镜(STM)的图象模拟与谱学

详见课题组主页：http://staff.ustc.edu.cn/~jlyang/。

李星星副教授简介

李星星，中国科学技术大学副教授，硕士生导师。2010年、2015年先后于中国科学技术大学获学士、博士学位，导师杨金龙教授。先后获中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士学位论文、中国化学会理论化学优秀博士论文奖。2019年入选中科院青促会会员，2022年入选仲英青年学者。研究领域为理论与计算化学，着眼电子信息技术发展，围绕低维自旋材料和分子器件的功能设计开展了系统深入的理论研究，代表成果包括提出并发展了一类自旋材料即双极磁性半导体（简称BMS），可实现直接通过门压控制传输电子自旋方向，为自旋电调控难题提供了解决思路；提出了通过调控配体分子自旋态和轨道杂化设计室温磁性半导体的策略，实现了多个室温工作的分子基磁性半导体材料；揭示了周围环境有机离子对分子器件电导的影响规律，在此基础上实现了单个氨基酸分子的电荷态识别。迄今为止发表SCI期刊论文64篇，其中第一/通讯作者论文39篇（近五年28篇），包括Nat.Commun. 1 (1)篇、Sci.Adv. 2 (2)篇、J.Am.Chem.Soc. 6 (4)篇、Angew.Chem.Int.Ed. 2 (2)篇、Phys.Rev.Lett. 1 (0)篇。详见主页：https://dcp.ustc.edu.cn/2019/0104/c17513a370170/page.htm。

邀稿

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