TbPc2单分子磁体的制备与磁性研究

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单分子磁体是一种能够在低温下表现出缓慢弛豫现象的分子基磁性材料,这种现象与磁化量子隧穿机制相结合,为使用单一自旋制备高密度存储材料和量子计算设备拓宽了思路。因而单分子磁体的制备与磁学性质的研究成为近年来研究的热点。单核心TbPc2单分子磁体具有的磁各向异性能垒远大于其他单分子磁体。然而,由于磁化量子隧穿效应的影响,TbPc2具有非常小的剩余磁化强度和矫顽力,这限制了 TbPc2在实际应用领域的发展。本文详细研究了 TbPc2单分子磁体的溶剂热合成方案、提纯方法及磁学性质,从双量子阱模型出发对磁化量子隧穿效应进行了系统的研究和分析。采用溶剂热方法制备YPc2进行了对比研究。为了进一步认识偶极相互作用对磁动力学行为的影响,制备了非晶TbPc2薄膜,并对其磁性进行了研究。取得的主要研究成果如下:(1)采用溶剂热方法成功制备出LnPc2(Ln=Tb,Y),并通过柱状色谱的对[LnPc2]0进行分离提纯。X射线衍射和傅里叶红外光谱实验测试表明,制备了纯相的TbPc2和YPc2晶体。扫描电子显微镜图像表明TbPc2晶体为板状,尺寸在10 μm~50 μm之间,YPc2晶体是细小的片状,尺寸在1 μm~15 μm之间。对TbPc2粉末样品测量2 K~300 K的磁化曲线,实验结果表明在2 K~10 K的温度区间内,TbPc2是铁磁性,并能表现出磁滞现象。磁滞回线在零场附近急剧下降,这是量子隧穿作用的影响,通过双势阱模型对量子隧穿作用做出了解释。YPc2的磁性测试证明了其顺磁性本质。(2)为了探索TbPc2的磁性来源(分子本身,或是磁畴),将TbPc2稀释在顺磁性的YPc2中,合成了 Tb0.1Y0.9Pc2粉末。对其测量2K~300 K温度区间的磁化曲线。实验结果表明Tb0.1Y0.9Pc2在2 K和4 K的温度下是铁磁性的,并具有磁滞现象,从而论证了 TbPc2的单分子磁体性质。我们的实验同时表明偶极间相互作用会对磁动力学行为产生显著影响。(3)研究了不同衬底对TbPc2薄膜结晶状态的影响。X射线衍射实验结果表明生长在不同衬底上的TbPc2薄膜均为非晶态,同时伴随着磁滞现象的消失。证明分子的堆叠结构会对磁弛豫行为产生影响。测量TbPc2蒸发镀膜剩余的未蒸发的粉末的2 K~300K的磁化曲线,发现磁滞现象消失。对其测量X射线衍射实验,结果表明其晶体结构发生改变,结晶性变差。这也证明了分子堆叠结构的变化会对其磁动力学行为产生影响。
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