單分子磁體及金屬有機(jī)框架中磁量子隧穿的研究

1、單分子磁體及金屬有機(jī)框架中磁量子隧穿的研究隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和研究體系的不斷豐富,人們相繼在宏觀體系中觀測(cè)到了約瑟夫森效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)和A-B效應(yīng)等宏觀量子效應(yīng),它們不僅促進(jìn)著新的物理理論發(fā)展,同時(shí)還具有重要的實(shí)際應(yīng)用。本論文所研究的單分子磁體(Single-MoleculeMagnets,SMMs)和金屬有機(jī)框架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)中的磁量子隧穿現(xiàn)象也屬于宏觀量子效應(yīng)的范疇,主要內(nèi)容包括兩個(gè)部分,第一部分包括單分子磁體磁弛豫的研究及單分子磁體薄膜制備,第二部分包括金屬有機(jī)框架中氫鍵對(duì)磁量子隧穿的調(diào)控以及實(shí)驗(yàn)中使用的基于霍爾效應(yīng)交流磁化率測(cè)量裝置的

2、研發(fā)。以往研究表明,磁偶極相互作用、超精細(xì)相互作用和無(wú)序等因素都會(huì)對(duì)磁宏觀量子隧穿的速率產(chǎn)生影響。Mn12-Ac和Mn12-tBuAc具有相同磁性核心和接近的晶格常數(shù)比(c/a)(兩者的分子體積不同,前者晶格常數(shù)a和c比后者減少20%),是近定量比較磁隧穿效應(yīng)的理想研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)兩種單分子磁體的低溫直流磁化率曲線進(jìn)行微分,我們得到了各自的磁弛豫速率,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),在相同條件下,晶體中偶極相互作用較強(qiáng)的Mn12-Ac磁弛豫速率明顯慢于偶極相互作用較弱的Mn12-tBuAc。為了定量比較兩種晶體中超精細(xì)相互作用強(qiáng)度,我們?cè)趦煞N晶體上分別進(jìn)行了“holedigging”實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得各自的超精細(xì)相互作用

3、信息,結(jié)果表明兩種晶體的超精細(xì)相互作用強(qiáng)度十分接近,兩種晶體較大的磁弛豫速率差別并不來(lái)自于晶體的超精細(xì)相互作用。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,我們得到了兩種晶體內(nèi)磁偶極場(chǎng)分別沿著易磁化軸分量Hdip,z和垂直分量Hdip,x,發(fā)現(xiàn)Mn12-Ac中上述兩個(gè)偶極場(chǎng)分量近似為Mn12-tBuAc中的兩倍。后續(xù)傾斜樣品直流磁化率實(shí)驗(yàn)表明,Mn12-Ac內(nèi)較大Hdip,x引起的隧穿幾率增加被Hdip,z阻礙磁量子隧穿的效果所掩蓋,使得Mn12-Ac的弛豫速率慢于Mn12-tBuAc。單分子磁體中單個(gè)分子的磁學(xué)性質(zhì)和宏觀晶體相同,使其在高密度存儲(chǔ)和自旋電子學(xué)器件等方面有著很大的應(yīng)用前景。將單分子磁體晶體中的分子分散成低維

4、體系是制備單分子器件的重要一步,我們使用Langmuir-Blodgett成膜法在Si(100)襯底上制備出Mn12-tBuAc單分子層薄膜。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)表征表明該薄膜表面具有很高的平整度和均勻性。低溫下薄膜的磁滯回線具有各向異性,表明薄膜內(nèi)部分子排列具有一定的取向性且仍具有較強(qiáng)的磁各向異性。交流磁化率測(cè)量結(jié)果表明薄膜內(nèi)存在兩種具有不同磁各向異性勢(shì)壘的分子,其中勢(shì)壘較高的分子和原來(lái)晶體內(nèi)部分子相同,而新出現(xiàn)的磁各向異性勢(shì)壘降低的分子導(dǎo)致其磁弛豫速率加快。薄膜中的分子仍然保留有單分子磁體的特性,這一結(jié)果為以后基于單分子磁體器件的制備做好了前期準(zhǔn)備。金屬有機(jī)骨架(CH3)2NH2F(eHCO)O3

5、(簡(jiǎn)稱DMFeF中磁電耦合和磁量子隧穿的共存為實(shí)現(xiàn)在宏觀晶體中利用非磁手段調(diào)控磁量子隧穿的研究提供了一個(gè)契機(jī)。我們通過(guò)改變DMFeF高溫反鐵電相變處(163K)的降溫速率，在同一樣品中制備出不同無(wú)序度氫鍵分布狀態(tài),通過(guò)比較不同氫鍵狀態(tài)下低溫(20K)直流磁化率和交流磁化率的曲線,我們發(fā)現(xiàn)氫鍵不僅可以影響DMFe葉單離子磁體成分比例，而且還會(huì)改變其磁各向異性勢(shì)壘的高度。這是因?yàn)镕e2+周圍的氧原子參與氫鍵后，氧原子的電子云分布發(fā)生變化，導(dǎo)致Fe2+所感受到的晶體場(chǎng)以及由晶體場(chǎng)決定的磁各向異性勢(shì)壘也隨之發(fā)生變化。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為利用非磁學(xué)手段調(diào)控磁量子隧穿提供了一個(gè)嶄新的思路。在磁量子隧穿的研究中需要在極低頻下（1Hz以下）研究材料的交流磁化率響應(yīng)，商用設(shè)備PPM皎流磁化率測(cè)量最低頻率只到10Hz。為了滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)于低頻交流磁化率測(cè)量的需求,我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了基于霍爾效應(yīng)的交流磁化率測(cè)量裝置。與基于法拉第電磁感應(yīng)定律的線圈探測(cè)方法相比,該裝置的測(cè)量精度對(duì)頻率依賴性不高,通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)在頻率低至0.7Hz時(shí)具有高達(dá)10-9emu的測(cè)量精度。此外,針對(duì)高頻區(qū)測(cè)量較大的背底信號(hào),我