CN114560881A - 高能垒镝单离子磁体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高能垒镝单离子磁体及其制备方法和应用，所述单离子磁体的结构简式为：[Dy(BPA‑TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2，其中BPA‑TPA为2,6‑双(双(2‑吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明所述镝单离子磁体在零场下就能表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，能垒高于1600K，可作为分子基磁性材料在新型高密度信息存储设备(如光盘、硬磁盘等)使用；(2)所述镝单离子磁体在空气中不风化，稳定性好；(3)所述方法工艺安全简单，可控性高，重现性好。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，涉及一种单分子磁体材料，具体为高能垒镝单离子磁体及其制备方法和应用。
背景技术
随着信息技术的发展，人们需求电子器件的集成数目成指数倍数增长而器件尺寸不断地减小。这种集成化和微型化的不断发展将受到加工工艺以及成本的限制，造成现代电子器件集成技术难以逾越的障碍。因此，研制开发分子基磁性材料已成为科学家们关注的热点。单分子磁体(SMM)是分子基磁性材料研究的重要领域。而且在高密度信息存储、量子计算机和分子自旋学领域有着巨大的应用潜能。
镧系离子的单电子数多，具有更强的自旋-轨道耦合，是设计单离子磁体的理想选择。Dy(III)由于其具有Kramer电子层结构(f层具有奇数电子)，所以镝基单离子磁体的基态是双稳态，且与配位场平衡无关。因此，镝基单离子磁体吸引了众多研究者的关注，已成为性能最佳的单离子磁体体系，其有效能垒和阻塞温度可高达1540cm-1和80K。然而，合成这些高性能的镝基单离子磁体往往需要在无水无氧的极端条件下进行，因此不便控制合成进程，重复效果差、产率较低。并且部分此类材料在常温和空气中不稳定，容易分解或风化。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，获得一种稳定的、单分子磁体性质优良的的镝配合物，且提供一种合成条件温和可控、重复性好的合成方法，本发明提供了高能垒镝单离子磁体及其制备方法和应用。
技术方案：高能垒镝单离子磁体，所述单离子磁体的结构简式为：[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2，其中BPA-TPA为2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶，所述镝单离子磁体的化学结构式为：
优选的，所述单离子磁体的结构单位为：晶体属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
α＝101.261(2)°，β＝93.525(2)°，γ＝116.025(2)°。
优选的，所述Dy(III)与一个BPA-TPA配体的七个氮原子和一个甲氧基的进行配位，形成八配位三角十二面体构型。
优选的，所述镝单离子磁体为无色块状晶体，在零场下即可表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，其能垒高于1600K，阻塞温度达8K。
以上任一所述高能垒镝单离子磁体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶(BPA-TPA)和DyCl3·6H2O溶于甲醇中，加热回流2h，呈黄色澄清溶液，再加入三甲基硅氧钠，继续回流2h，出现极少量黄色沉淀，冷却至室温，过滤除去少量不溶物，向其加入四苯硼钠(NaBPh4)，搅拌30min之后，产生大量淡黄色沉淀，把沉淀过滤出来，用二氯甲烷溶解，转移到试管中，将正己烷缓慢加入其中，静置，进行两相扩散即得到该镝单离子磁体。其中所述DyCl3·6H2O与BPA-TPA的摩尔比为1:1～1.5，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于15～20mL甲醇，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于1～2mmol的三甲基硅氧钠，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于3～5mmol的四苯硼钠，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于5～10mL的二氯甲烷。
优选的，所述正己烷的体积为二氯甲烷的3～4倍。
优选的，所述静置时间2～4天，得到无色块状晶体。
以上任一所述高能垒镝单离子磁体在制备分子基磁性材料中的应用。
有益效果：(1)本发明所述镝单离子磁体在零场下就能表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，能垒高于1600K，可作为分子基磁性材料在新型高密度信息存储设备(如光盘、硬磁盘等)使用；(2)所述镝单离子磁体在空气中不风化，稳定性好；(3)所述方法工艺安全简单，可控性高，重现性好。
附图说明
图1是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的晶体结构图；
图2是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的粉末X-射线衍射图；
图3是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的直流磁化率测试图；
图4是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的磁滞回线图；
图5是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的虚部交流磁化率曲线图；
图6是高能垒镝单离子磁体[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2的弛豫时间与温度关系图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
高能垒镝单离子磁体的制备方法，包括：将2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶(BPA-TPA)(1mmol)和DyCl3·6H2O(1mmol)溶于15mL甲醇中，加热回流2h，呈黄色澄清溶液，再加入三甲基硅氧钠(2mmol)，继续回流2h，出现极少量黄色沉淀，冷却至室温，过滤除去少量不溶物，向其加入NaBPh4(4mmol)，搅拌30min之后，产生大量淡黄色沉淀，过滤，将沉淀溶于5mL二氯甲烷，再将15mL正己烷缓慢加入其中，静置，进行两相扩散2天，即得到该镝单离子磁体。
本实施例制备的镝单分子磁体的产率为66.4％。
实施例2
高能垒镝单离子磁体的制备方法，包括：将2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶(BPA-TPA)(1.5mmol)和DyCl3·6H2O(1mmol)溶于20mL甲醇中，加热回流2h，呈黄色澄清溶液，再加入三甲基硅氧钠(2.5mmol)，继续回流2h，出现极少量黄色沉淀，冷却至室温，过滤除去少量不溶物，向其加入NaBPh4(4.5mmol)，搅拌30min之后，产生大量淡黄色沉淀，把沉淀过滤出来，用8mL二氯甲烷溶解，转移到试管中，将20mL正己烷缓慢加入其中，静置，进行两相扩散3天，即得到该镝单离子磁体。
本实施例制备的镝单分子磁体的产率为69.2％。
本实施例制备的镝单离子磁体的表征如下：
(1)晶体结构测定
在显微镜下选取合适大小的单晶，室温下在Bruker SMART Apex II CCD单晶仪上，利用石墨单色化的钼靶Mo Kα
测试结构。利用APEXII程序收集数据和确定晶胞。结构数据运用SAINT和SADABS程序进行归一化处理和吸收校正。运用SHELXTL-2016程序进行结构解析。所有非氢原子坐标均由差值傅里叶合成法得到，应用全矩阵最小二乘法对原子坐标和各向异性温度因子进行校正，全部氢原子利用理论加氢。结构图见图1，晶体学数据见表1，配位键长见表2。
表1配合物的晶体学数据
表2配合物的配位键长数据
图1的结构图表明：Dy(III)与一个BPA-TPA配体的七个氮原子和一个甲氧基的进行配位，八配位三角十二面体构型。
(2)粉末X-射线衍射测定相纯度
使用Bruker D8 Advance粉末X-射线衍射仪对本实施例所得的无色块状晶体产物的相纯度进行表征。如图2所示，模拟曲线是利用Mercury软件对单晶结构数据模拟得到的。结果显示所述的镝单分子磁体材料具有可靠的相纯度，为其在分子基磁性材料的应用提供保障。
(3)磁学性能表征：
磁性测量采用超导量子干涉仪Quantum Design MPMS SQUID VSM磁测量系统。直流磁化率的测试温度为2.0～300K，磁场为0.1T。磁化强度的测试温度为2～8K，磁场为0～7T。虚部交流磁化率和实部交流磁化率使用的频率范围为1～999Hz，温度范围是2～60K。
如图3所示，当温度在300K时，直流磁化率(χ)与温度(T)的乘积为14.66cm3 mol- 1K，与仅自旋的Dy(III)(S＝5/2,L＝5,6H15/2,g＝4/3)的理论值14.17cm3 k mol-1相符。当温度开始下降时，该乘积逐步下降，而当温度低于10K时，该值开始急剧下降，这是由于体系中存在重要的磁各向异性。磁化强度曲线(图4)显示，该配合物在2～8K下表现出了磁滞回线的性质，证实了该配合物具有单分子磁体性质，并说明该配合物的阻塞温度可达8K。在零场的情况下，该配合物的虚部交流磁化率χ”在2～60K温度范围内呈现出明显的温度依赖和频率依赖现象(图5)，产生了慢磁弛豫行为。通过对弛豫时间(τ)和温度(T)作图，如图6所示，对高温区的数据进行阿伦尼乌斯拟合，可得到该镝单离子磁体的能垒为1695K。综合上述现象，本发明所制备的镝单离子磁体在零场下即可表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，其能垒高于1600K，阻塞温度可达8K。可作为分子基磁性材料在新型高密度信息存储设备(如光盘、硬磁盘等)使用。
Claims (10)
1.高能垒镝单离子磁体，其特征在于，所述单离子磁体的结构简式为：[Dy(BPA-TPA)(CH3O)](BPh4)2·CH2Cl2，其中BPA-TPA为2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶。
2.根据权利要求1所述的高能垒镝单离子磁体，其特征在于，所述单离子磁体的化学结构式为：
3.根据权利要求1所述的高能垒镝单离子磁体，其特征在于，所述镝单离子磁体的结构单位为：晶体属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
α＝101.261(2)°，β＝93.525(2)°，γ＝116.025(2)°。
4.根据权利要求1所述的高能垒镝单离子磁体，其特征在于，所述Dy(III)与一个BPA-TPA配体的七个氮原子和一个甲氧基的进行配位，形成八配位三角十二面体构型。
5.根据权利要求1所述的高能垒镝单离子磁体，其特征在于，所述镝单离子磁体为无色块状晶体，在零场下表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，能垒高于1600K，阻塞温度达8K。
6.权利要求1-5任一所述高能垒镝单离子磁体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将2,6-双(双(2-吡啶基甲基)氨基)甲基吡啶和DyCl3·6H2O溶于甲醇中，加热回流至呈黄色澄清溶液，再加入三甲基硅氧钠，继续回流至出现极少量黄色沉淀，冷却至室温，过滤除去少量不溶物，向其加入四苯硼钠，搅拌产生大量淡黄色沉淀，把沉淀过滤出来，用二氯甲烷溶解，转移到试管中，将正己烷缓慢加入其中，静置，进行两相扩散即得到该镝单离子磁体。
7.根据权利要求6所述的高能垒镝单离子磁体的制备方法，其特征在于，所述DyCl3·6H2O与BPA-TPA的摩尔比为1:1～1.5，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于15～20mL甲醇，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于1～2mmol的三甲基硅氧钠，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于3～5mmol的四苯硼钠，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于5～10mL的二氯甲烷。
8.根据权利要求6所述的高能垒镝单离子磁体的制备方法，其特征在于，所述正己烷的体积为二氯甲烷的3～4倍。
9.根据权利要求6所述的高能垒镝单离子磁体的制备方法，其特征在于，所述静置时间为2～4天，得到无色块状晶体。
10.权利要求1-5任一所述高能垒镝单离子磁体在制备分子基磁性材料中的应用。
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