首例含有Dy-Dy共价键的单分子磁体

近日，中国科学技术大学杨上峰/胡子琦团队在含镝（Dy）内嵌双金属富勒烯中首次实现了Dy-Dy共价键的稳定合成，获得了具有强反铁磁耦合的高性能单分子磁体，在分子磁性领域取得了重要进展。研究成果发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

有别于长程有序的传统磁性材料，单分子磁体（SMM）的磁性来源于分子本身，理论上一个分子就是一个独立的“磁畴”，因此具有超高密度信息存储和量子计算的应用潜能。以Dy为代表的镧系金属具有强的磁各向异性，作为磁性中心可使SMM在磁阻塞温度下表现出慢弛豫行为。然而，在含有单个磁性中心的SMM中，量子隧穿效应的普遍存在加快了弛豫过程。为了提升SMM的阻塞温度，一个简单而有效的方法是再引入一个磁性中心，此时弛豫过程为翻转单个磁性中心的磁矩，因此需要翻越由磁耦合作用产生的额外能垒。但是由于4f轨道收缩，镧系金属之间的耦合通常都很弱，是否可以通过镧系金属形成共价键的方式增强耦合作用？

图1. 通过Dy-Dy 共价键诱导的强磁耦合单分子磁体

由全碳原子组成的封闭笼状富勒烯分子为稳定这种特殊的镧系金属共价键提供了可能，得到的内嵌金属富勒烯SMM具有化学和热稳定性高、可升华、分子和电子结构易于调控等特点（Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 2863）。鉴于此，中国科学技术大学杨上峰教授/胡子琦副研究员团队通过真空电弧放电合成了首例含有Dy-Dy共价键 (键长为3.61 Å) 的双金属富勒烯Dy₂@C₈₂。这一特殊成键性质导致两个Dy离子之间最强的反铁磁耦合作用（磁交换能垒为33.9 K），有效抑制了量子隧穿效应。Dy₂@C₈₂在25 K以下均能展现出SMM特征的磁滞现象，其弛豫时间100秒时对应的阻塞温度为27.2 K，是目前所有不含单电子金属-金属键的多核单分子磁体记录。这一发现不仅展示了内嵌金属富勒烯在单分子磁体领域的优势，也为研究镧系金属的特殊成键性质提供了重要的科学模型。

该论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士生辛金鹏和副研究员胡子琦，通讯作者为中国科学技术大学杨上峰教授和胡子琦副研究员。该项研究得到了国家自然科学基金委、中科院重点研究计划等项目的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Short Didysprosium Covalent Bond Enables High Magnetization Blocking Temperature of a Direct 4f–4f Coupled Dinuclear Single-Molecule Magnet

Jinpeng Xin, Ziqi Hu*, Yang-Rong Yao, Aman Ullah, Xinyi Han, Wenhao Xiang, Huaimin Jin, Zhanxin Jiang, and Shangfeng Yang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c04429

导师介绍

杨上峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/50202