低維稀土分子納米磁體設計、構筑和性能調控

1.內容涵蓋相關理論基礎：深入淺出地介紹了稀土分子納米磁體的起源、發展和基礎理論，特別是對三價稀土離子電子結構的推導，是本書的顯著特色。 2.重點解析稀土磁體配合物：書中介紹了分子納米磁體的實驗研究方法，從合成、晶體結構表征到磁性研究三個方面，深度解析了具有代表性的4大類稀土分子納米磁體配合物體系。 3.凝聚多年研究成果：本書結合作者多年從事低維稀土分子納米磁體的設計、構筑和性能調控研究所積累的知識和經驗。 4.填補領域空白：同類書較少，本書的出版旨在為稀土分子納米磁體領域的研究提供參考。

21世紀是名副其實的“信息時代”，高速互聯網和各類智能終端的普及，極大地改變了人們的工作和生活方式，人們每天都在創造和傳播著大量信息，這對信息存儲材料的存儲密度提出了越來越高的要求。鐵磁記錄材料是當前人類所采用的最重要的信息存儲材料之一，但超順磁效應的存在使得鐵磁顆粒在被切割至低于一定尺寸后，無法保持磁化狀態的穩定，存儲密度已經接近上限。研究者迫切希望開發出新的具有超高密度信息存儲能力的材料。分子納米磁體作為一種在分子尺度上展現出磁體特征的新型磁性材料，在理論上具有極高的信息存儲密度，有望代替傳統磁體使超高密度信息存儲成為現實，且這類材料展現出的量子相干特性，還使它們在分子自旋器件和量子計算等眾多高科技領域具有潛在的應用前景，因此受到了國內外眾多研究者的關注，已經成為涉及化學、物理、信息和材料等學科的熱門交叉研究領域。尤其是稀土離子突出的磁學特性，使得稀土分子納米磁體具有比過渡金屬納米磁體更為突出的磁學性能，有望更早實現從實驗室到實際應用的突破，已經成為分子納米磁體研究領域中的重中之重。
在此背景下，作者基于多年在稀土分子納米磁體研究中積累的知識和經驗，編寫了本書。其目的在于及時總結和展示本領域的研究動態，供相關領域的專家學者了解和參考，并希望借此吸引更多的研究者關注或投入到稀土分子納米磁體的研究中來，以進一步推動本領域的快速發展。
本書共分7章，第1章重點介紹了稀土分子納米磁體的起源及研究現狀，第2章介紹了稀土元素的配位化學和三價稀土離子的電子結構，第3章從基礎理論和實驗層面對分子納米磁體的慢磁弛豫動力學進行了闡述；第4章至第7章為部分具有代表性的低維稀土分子納米磁體的研究實例，其中，第4章介紹了零維的五角雙錐構型單離子磁體，第5章和第6章分別為基于氮氧自由基配體的零維體系和一維體系，第7章為基于水和羥基橋聯配體的一維體系。目前，分子納米磁體領域出版的中文圖書較少，本書與它們的不同之處，在于采用更多篇幅更加詳細地介紹了稀土納米磁體的起源、發展和基礎理論，可以提供給有意向投入本研究領域的學者更多的學習與參考價值。
本書的第3章至第6章由李磊磊撰寫，第1、2、7章由劉雙撰寫，全書由李磊磊和劉雙共同統稿。本書部分研究內容得到了南開大學程鵬教授、師唯教授和天津大學崔建中教授、高洪苓教授等專家的指導與支持，在此向諸位老師致以真摯的謝意。西安石油大學王文珍教授給予作者諸多建議，在此表示感謝。本書在撰寫過程中參考了較多國內外的文獻資料，在此向相關作者表示衷心感謝。本書的出版得到“西安石油大學優秀學術著作出版基金”和西安石油大學化學化工學院的聯合資助，在此向關心本書出版的西安石油大學科技處、化學化工學院的各位領導和同事表示衷心感謝。
鑒于分子納米磁體是一門多學科交叉的研究領域，限于作者的研究水平，書中難免存在不足之處，敬請專家和讀者諒解，并給予批評指正。

著者
2023年9月

本書結合作者多年從事低維稀土分子納米磁體的設計、構筑和性能調控研究所積累的知識和經驗，深入淺出地介紹了稀土分子納米磁體的起源、發展和基礎理論，并附帶了豐富的具有代表性的研究實踐例子。特別是對三價稀土離子電子結構的推導及對分子納米磁體基礎理論和實驗研究方法的介紹，是本書的顯著特色，在一定程度上填補了本領域中文圖書的空白。
本書可作為涉及稀土配合物、分子磁性、分子納米磁體等領域的研究人員參考書使用，也可供相關領域的研究生學習使用。

第1章從傳統磁體到分子納米磁體1
1.1物質磁性的根源 2
1.1.1安培分子電流假說 2
1.1.2磁性的量子力學解釋 3
1.2物質磁性的類型 5
1.2.1磁化強度與磁化率 5
1.2.2抗磁性與順磁性 6
1.2.3磁相互作用 8
1.2.4長程有序磁性 9
1.3從鐵磁性到超順磁性 12
1.3.1鐵磁體的磁疇與磁滯 12
1.3.2鐵磁體的分類 14
1.3.3鐵磁體在信息記錄中的應用 15
1.3.4鐵磁信息記錄材料的瓶頸與超順磁性 19
1.4分子納米磁體的起源與發展 21
1.4.1分子納米磁體分類 22
1.4.2單分子磁體的研究發展 23
1.4.3單鏈磁體的研究發展 31
參考文獻 34

第2章稀土元素簡介38
2.1稀土元素概述 39
2.1.1稀土元素的概念與發現 39
2.1.2稀土元素的分類 40
2.1.3稀土元素的儲量與分布 40
2.2稀土元素的電子構型 42
2.2.1原子的電子構型 42
2.2.2價態和離子的電子構型 43
2.2.3鑭系收縮與稀土原子和離子半徑 44
2.3稀土元素的配合物化學 46
2.3.1成鍵特征 46
2.3.2配位數和配位構型 49
2.3.3合成及單晶培養 59
2.4三價稀土離子的電子結構 64
2.4.1鑭系自由離子的光譜項和光譜支項 64
2.4.2晶體場分裂 74
2.4.3超精細分裂 77
參考文獻 78

第3章稀土分子納米磁體的基礎理論81
3.1稀土配合物的基本磁學性質 82
3.1.1van Vleck方程 82
3.1.2變溫磁化率 83
3.1.3變場磁化強度 85
3.2慢磁弛豫動力學 88
3.2.1概念 88
3.2.2慢磁弛豫性能參數 89
3.2.3自旋-晶格弛豫 90
3.2.4量子隧穿弛豫 93
3.3慢磁弛豫行為的實驗分析 100
3.3.1慢磁弛豫行為的判斷 100
3.3.2弛豫時間的提取 103
3.3.3弛豫時間的擬合與弛豫途徑的分析 105
參考文獻 108

第4章基于氧化膦配體的五角雙錐構型稀土單離子磁體110
4.1五角雙錐鏑單離子磁體 112
4.1.1配合物的合成 112
4.1.2結構表征 113
4.1.3磁學性質研究 117
4.2五角雙錐鈥單離子磁體 127
4.2.1配合物的合成 127
4.2.2結構表征 128
4.2.3磁學性質研究 132
4.3磁構關系研究 138
4.3.1陰離子誘導的結構與磁學性質調控 138
4.3.2超精細相互作用 141
參考文獻 141

第5章基于NITR配體的稀土單分子磁體143
5.1NITPhCOOMe的合成與磁性研究 144
5.1.1合成與基本表征 145
5.1.2NITPhCOOMe的單晶結構 146
5.1.3NITPhCOOMe的磁性研究 147
5.2基于NITPhCOOMe的稀土單分子磁體 151
5.2.1配合物的合成 151
5.2.2配合物的結構表征與分析 152
5.2.3磁學性質研究 156
參考文獻 162

第6章一維Ln-NITR配合物的慢磁弛豫性質研究164
6.1配合物的合成 165
6.2配合物的表征 167
6.2.1晶體結構 167
6.2.2粉末X射線衍射 170
6.2.3元素分析 170
6.3配合物的磁性研究 171
6.3.1配合物8的磁性研究 171
6.3.2配合物9的磁性研究 171
6.3.3配合物10的磁性研究 182
參考文獻 183

第7章氧橋聯的一維稀土“之”字鏈體系185
7.1配合物11～13的設計與合成 186
7.2配合物11～13的表征 188
7.2.1單晶X射線衍射分析 188
7.2.2紅外光譜 190
7.2.3粉末X射線衍射、元素分析和熱重分析 191
7.3配合物11～13的磁學性質 192
7.3.1配合物11的磁性研究 192
7.3.2配合物12的磁性研究 193
7.3.3配合物13的磁性研究 195
參考文獻 208

附錄211