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具有半金属磁性的过渡金属氢化物分子纳米线

(2017-04-17)
  自旋电子器件基于电子的自旋进行信息的传递、处理与存储,具有目前传统半导体电子器件无法比拟的快速、高效、低能耗等优势,被认为是未来信息技术的重要载体。寻找具有高自旋极化率与居里温度的磁性材料,是制备自旋电子器件的一个基础。其中,半金属磁性材料可以提供完全极化的载流子,被视为构建自旋电子器件的理想材料,吸引了相关领域的广泛关注和研究。目前,已有报道的半金属磁性材料有Heusler化合物、金属有机化合物与一些金属材料,然而寻找实验可行、具有半金属磁性的低维材料依然是一大挑战。最近武晓君教授课题组基于第一性原理计算,首次提出了通过在一维受限空间内组装MH3(M=Sc, Cr, Mn和Co)分子,可以获得稳定的、具有半金属磁性的过渡金属氢化物分子纳米线,相关结果发表在Journal of the American Chemical Society杂志。

   通过计算,他们证明了MH3分子形成纳米线是一个放热的过程,氢原子作为桥联配体连接相邻的金属原子,过渡金属氢化物分子纳米线具有较高的结构稳定性。第一性原理分子动力学模拟显示,在15皮秒的模拟过程中,CoH3,CrH3与MnH3分子纳米线可以分别在500与600K的温度下保持其基本结构,而ScH3分子纳米线则可以在1200K的高温下保持分子纳米线的基本结构。这一结构稳定性的相对差异主要来源于金属与桥联配体氢的成键强度。
  研究人员进一步发现,MH3分子纳米线中金属原子的d轨道在桥联配体形成的晶体场中发生分裂,金属与金属之间存在较强的交换作用,表现出优异的电学与磁性特性。其中,MnH3分子纳米线是一维铁磁材料,可以通过电子或空穴掺杂转变为一维半金属铁磁材料,而CoH3分子纳米线则是半金属铁磁材料。蒙特卡洛模拟则显示CoH3分子纳米线的居里温度可以达到98K,这一数值高于液氮温度,也远高于已经报道的一维金属有机纳米线的居里温度。同时,MnH3分子纳米线的居里温度则高达1370K,为发展室温自旋电子器件材料提供了可能。
  这一研究不仅提供了基于过渡金属氢化物分子获得一维纳米线的新思路,而且更重要的是,文中报道具有半金属磁性的过渡金属氢化物分子纳米线,势必为寻找低维自旋电子器件材料提供了新的启示。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、青年拔尖人才支持计划项目的资助,该论文第一作者为李秀玲和吕海峰。
 

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