方維海

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具有半金屬磁性的過渡金屬氫化物分子納米線

方維海

(北京師范大學化學學院，北京 100875)

自旋電子器件基于電子的自旋進行信息的傳遞、處理與存儲，具有目前傳統(tǒng)半導體電子器件無法比擬的快速、高效和低能耗等優(yōu)勢，是未來信息技術(shù)的重要載體1。尋找具有高自旋極化率與居里溫度的磁性材料，是制備自旋電子器件的一個基礎。其中，半金屬磁性材料可以提供完全極化的載流子，被視為是構(gòu)建自旋電子器件的理想材料，吸引了相關領域的廣泛關注和研究2。目前，已有報道的半金屬磁性材料有Heusler化合物、金屬有機化合物與一些金屬材料3,4，然而尋找實驗可行、具有半金屬磁性的低維材料依然是一大挑戰(zhàn)。

最近中國科學技術(shù)大學理論與計算化學團隊武曉君教授課題組基于第一性原理計算，首次提出了在一維受限空間內(nèi)組裝MH3(M = Sc, Cr, Mn, Co)分子，可以獲得穩(wěn)定的、具有半金屬磁性的過渡金屬氫化物分子納米線，相關結(jié)果發(fā)表在雜志5。他們的研究表明，在MH3分子納米線中, 氫原子作為橋聯(lián)配體連接相鄰的金屬原子。金屬原子的軌道在橋聯(lián)配體形成的晶體場中發(fā)生分裂，同時金屬與金屬之間存在較強的交換作用，使得過渡金屬氫化物分子納米線表現(xiàn)出優(yōu)異的電學與磁性特性。其中，CoH3分子納米線是理想的半金屬鐵磁材料，其居里溫度可以達到98 K，這一數(shù)值高于液氮溫度，也遠高于已經(jīng)報道的一維金屬有機納米線的居里溫度6。此外，他們還發(fā)現(xiàn)MnH3分子納米線是一維鐵磁材料，可以通過電子或空穴摻雜轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S半金屬鐵磁材料，其居里溫度則高達1370 K，為發(fā)展室溫自旋電子器件材料提供了可能。

通過計算，研究人員進一步證實，從MH3分子出發(fā)，形成納米線在熱力學上是可行的。同時，過渡金屬氫化物分子納米線具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。第一性原理分子動力學模擬顯示，在15皮秒的模擬過程中，CoH3、CrH3與MnH3分子納米線可以分別在500與600 K的溫度下保持其基本結(jié)構(gòu)，而ScH3分子納米線則可以在1200 K的高溫下保持分子納米線的基本結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相對差異主要來源于金屬與橋聯(lián)配體氫的成鍵強度。過渡金屬分子納米線在熱力學與動力學上的穩(wěn)定性，預示了在一維受限空間中以MH3分子作為前驅(qū)體合成分子納米線的可行性。

這一研究不僅提供了基于過渡金屬氫化物分子獲得一維納米線的新思路，而且更重要的是，文中報道具有半金屬磁性的過渡金屬氫化物分子納米線，勢必為尋找低維自旋電子器件材料提供了新的啟示。

(1) Fert, A.2008,, 1517. doi: 10.1103/RevModPhys.80.1517

(2) De Groot, R.; Mueller, F.; Van Engen, P.; Buschow, K.1983,, 2024. doi: 10.1103/PhysRevLett.50.2024

(3) Ferlay, S.; Mallah, T.; Ouahes, R.; Veillet, P.; Verdaguer, M.1995,, 701. doi: 10.1038/378701a0

(4) Li, X. X.; Wu, X. J.; Yang, J. L.2014,, 5664. doi: 10.1021/ja412317s

(5) Li, X. L.; Lv, H. F.; Jun, D.; Liang, M.; Zeng, X. C.; Wu, X. J.; Yang, J. L.2017, doi: 10.1021/jacs.7b01369.

(6) Takahashi, M.; Turek, P.; Nakazawa, Y.; Tamura, M.; Nozawa, K.; Shiomi, D.; Ishikawa, M.; Kinoshita, M.1991,, 746. doi: 10.1103/PhysRevLett.67.746

Half-Metallicity in Transitional Metal Trihydride Molecular Nanowires

FANG Wei-Hai

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10.3866/PKU.WHXB201705173