中国科学技术大学杨金龙院士课题组李星星团队提出一种可逆的化学调控自旋的方法：通过在二维金属有机晶格中的有机配体上发生互变异构反应来调节该配体的自旋态，诱导相邻的过渡金属自旋之间的耦合序发生可逆转变，进而对材料的电学和磁学等性质进行调制。相关成果以“Chemically Controlled Reversible Magnetic Phase Transition in Two Dimensional Organometallic Lattices”为题发表于国际知名期刊Nano Letters上。
导读：
为了实现高性能的自旋电子学器件，开发一种有效的方法来可逆地调控材料的自旋序是迫切需要的。在这方面，研究者们发展了适用于不同场景的包括磁场、电场、光场在内的多种物理手段，但是对化学控制自旋的可行性却少有探索，尽管化学的可调性要丰富的多。事实上，化学修饰，如部分氢化、不对称边缘修饰等此前已被用来调节石墨烯等材料的磁性质，但这些修饰基本上是永久性的、不可逆的。在这项工作中，研究人员提出一种可逆的化学调控自旋的方法，即利用众所周知的内酰亚胺-内酰胺互变异构反应来诱导二维金属有机晶格中的磁相变。在原理上，发生内酰亚胺-内酰胺互变异构反应前后，有机配体前线轨道的原子组成、空间电荷和相位分布、能级位置，甚至自旋态都可能发生变化，并对与之直接相连的过渡金属之间的磁耦合性质产生显著的影响，比如改变磁耦合强度大小，诱导磁耦合序重新排列。在这项工作中，研究人员主要关注其中的一种情况，如图1所示：通过内酰亚胺-内酰胺互变异构反应，有机连接体的自旋态从单重态转变为二重态，进而诱导相邻过渡金属之间的磁耦合序发生从反铁磁到亚铁磁的转变。
图1. 内酰亚胺-内酰胺互变异构反应诱导二维金属有机晶格发生磁相变的示意图。
研究人员通过理论设计的三种二维金属有机晶格验证了这种化学调控自旋方法的可行性。以铬和2,5位羟基取代的吡嗪构造的金属有机晶格为例(简记为Cr-pyz) (图2a，2d)，在内酰亚胺-内酰胺互变异构反应前后，该金属有机晶格从反铁磁基态转变为亚铁磁基态(图2b，2e)，这种转变进一步诱导材料的电子结构从无自旋极化的普通半导体转变为价带和导带具有100%自旋极化并且极化方向完全相反的双极磁性半导体(图2c，2f)。同时，电子带隙和载流子有效质量也发生了显著变化。此外，材料的磁各向异性能在异构反应前后增强了五倍。
图2. (a-c)内酰亚胺型Cr-pyz金属有机晶格的几何结构、基态自旋密度分布和能带结构。(d-f) 内酰胺型Cr-pyz金属有机晶格的几何结构、基态自旋密度分布和能带结构。(a)和(d)中紫色、绿色、灰色、橙色和白色的球分别代表Cr、O、C、N和H原子。(b)和(e)中红色和蓝色分别代表向上和向下的自旋密度。(c)和(f)中黑色、红色和蓝色线分别代表自旋简并能带，自旋向上能带和自旋向下能带。
中国科学技术大学化学物理系博士生李俊瑶为第一作者，化学与材料科学学院李星星副教授和杨金龙教授为共同通讯作者。该研究工作得到了自然科学基金委、科技部和中国科学院的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03060
（化学与材料科学学院、精准智能化学重点实验室）