具有半金属磁性的过渡金属氢化物分子纳米线

方维海



具有半金属磁性的过渡金属氢化物分子纳米线

方维海

(北京师范大学化学学院，北京 100875)

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、高效和低能耗等优势，是未来信息技术的重要载体1。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，被视为是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2。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3,4，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。

最近中国科学技术大学理论与计算化学团队武晓君教授课题组基于第一性原理计算，首次提出了在一维受限空间内组装MH3(M = Sc, Cr, Mn, 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，相关结果发表在杂志5。他们的研究表明，在MH3分子纳米线中, 氢原子作为桥联配体连接相邻的金属原子。金属原子的轨道在桥联配体形成的晶体场中发生分裂，同时金属与金属之间存在较强的交换作用，使得过渡金属氢化物分子纳米线表现出优异的电学与磁性特性。其中，CoH3分子纳米线是理想的半金属铁磁材料，其居里温度可以达到98 K，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6。此外，他们还发现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，其居里温度则高达1370 K，为发展室温自旋电子器件材料提供了可能。

通过计算，研究人员进一步证实，从MH3分子出发，形成纳米线在热力学上是可行的。同时，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600 K的温度下保持其基本结构，而ScH3分子纳米线则可以在1200 K的高温下保持分子纳米线的基本结构。这种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。过渡金属分子纳米线在热力学与动力学上的稳定性，预示了在一维受限空间中以MH3分子作为前驱体合成分子纳米线的可行性。

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。

(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

()

10.3866/PKU.WHXB201705173