低维稀土分子纳米磁体设计、构筑和性能调控

1.内容涵盖相关理论基础：深入浅出地介绍了稀土分子纳米磁体的起源、发展和基础理论，特别是对三价稀土离子电子结构的推导，是本书的显著特色。 2.重点解析稀土磁体配合物：书中介绍了分子纳米磁体的实验研究方法，从合成、晶体结构表征到磁性研究三个方面，深度解析了具有代表性的4大类稀土分子纳米磁体配合物体系。 3.凝聚多年研究成果：本书结合作者多年从事低维稀土分子纳米磁体的设计、构筑和性能调控研究所积累的知识和经验。 4.填补领域空白：同类书较少，本书的出版旨在为稀土分子纳米磁体领域的研究提供参考。

21世纪是名副其实的“信息时代”，高速互联网和各类智能终端的普及，极大地改变了人们的工作和生活方式，人们每天都在创造和传播着大量信息，这对信息存储材料的存储密度提出了越来越高的要求。铁磁记录材料是当前人类所采用的最重要的信息存储材料之一，但超顺磁效应的存在使得铁磁颗粒在被切割至低于一定尺寸后，无法保持磁化状态的稳定，存储密度已经接近上限。研究者迫切希望开发出新的具有超高密度信息存储能力的材料。分子纳米磁体作为一种在分子尺度上展现出磁体特征的新型磁性材料，在理论上具有极高的信息存储密度，有望代替传统磁体使超高密度信息存储成为现实，且这类材料展现出的量子相干特性，还使它们在分子自旋器件和量子计算等众多高科技领域具有潜在的应用前景，因此受到了国内外众多研究者的关注，已经成为涉及化学、物理、信息和材料等学科的热门交叉研究领域。尤其是稀土离子突出的磁学特性，使得稀土分子纳米磁体具有比过渡金属纳米磁体更为突出的磁学性能，有望更早实现从实验室到实际应用的突破，已经成为分子纳米磁体研究领域中的重中之重。
在此背景下，作者基于多年在稀土分子纳米磁体研究中积累的知识和经验，编写了本书。其目的在于及时总结和展示本领域的研究动态，供相关领域的专家学者了解和参考，并希望借此吸引更多的研究者关注或投入到稀土分子纳米磁体的研究中来，以进一步推动本领域的快速发展。
本书共分7章，第1章重点介绍了稀土分子纳米磁体的起源及研究现状，第2章介绍了稀土元素的配位化学和三价稀土离子的电子结构，第3章从基础理论和实验层面对分子纳米磁体的慢磁弛豫动力学进行了阐述；第4章至第7章为部分具有代表性的低维稀土分子纳米磁体的研究实例，其中，第4章介绍了零维的五角双锥构型单离子磁体，第5章和第6章分别为基于氮氧自由基配体的零维体系和一维体系，第7章为基于水和羟基桥联配体的一维体系。目前，分子纳米磁体领域出版的中文图书较少，本书与它们的不同之处，在于采用更多篇幅更加详细地介绍了稀土纳米磁体的起源、发展和基础理论，可以提供给有意向投入本研究领域的学者更多的学习与参考价值。
本书的第3章至第6章由李磊磊撰写，第1、2、7章由刘双撰写，全书由李磊磊和刘双共同统稿。本书部分研究内容得到了南开大学程鹏教授、师唯教授和天津大学崔建中教授、高洪苓教授等专家的指导与支持，在此向诸位老师致以真挚的谢意。西安石油大学王文珍教授给予作者诸多建议，在此表示感谢。本书在撰写过程中参考了较多国内外的文献资料，在此向相关作者表示衷心感谢。本书的出版得到“西安石油大学优秀学术著作出版基金”和西安石油大学化学化工学院的联合资助，在此向关心本书出版的西安石油大学科技处、化学化工学院的各位领导和同事表示衷心感谢。
鉴于分子纳米磁体是一门多学科交叉的研究领域，限于作者的研究水平，书中难免存在不足之处，敬请专家和读者谅解，并给予批评指正。

著者
2023年9月

本书结合作者多年从事低维稀土分子纳米磁体的设计、构筑和性能调控研究所积累的知识和经验，深入浅出地介绍了稀土分子纳米磁体的起源、发展和基础理论，并附带了丰富的具有代表性的研究实践例子。特别是对三价稀土离子电子结构的推导及对分子纳米磁体基础理论和实验研究方法的介绍，是本书的显著特色，在一定程度上填补了本领域中文图书的空白。
本书可作为涉及稀土配合物、分子磁性、分子纳米磁体等领域的研究人员参考书使用，也可供相关领域的研究生学习使用。

第1章从传统磁体到分子纳米磁体1
1.1物质磁性的根源 2
1.1.1安培分子电流假说 2
1.1.2磁性的量子力学解释 3
1.2物质磁性的类型 5
1.2.1磁化强度与磁化率 5
1.2.2抗磁性与顺磁性 6
1.2.3磁相互作用 8
1.2.4长程有序磁性 9
1.3从铁磁性到超顺磁性 12
1.3.1铁磁体的磁畴与磁滞 12
1.3.2铁磁体的分类 14
1.3.3铁磁体在信息记录中的应用 15
1.3.4铁磁信息记录材料的瓶颈与超顺磁性 19
1.4分子纳米磁体的起源与发展 21
1.4.1分子纳米磁体分类 22
1.4.2单分子磁体的研究发展 23
1.4.3单链磁体的研究发展 31
参考文献 34

第2章稀土元素简介38
2.1稀土元素概述 39
2.1.1稀土元素的概念与发现 39
2.1.2稀土元素的分类 40
2.1.3稀土元素的储量与分布 40
2.2稀土元素的电子构型 42
2.2.1原子的电子构型 42
2.2.2价态和离子的电子构型 43
2.2.3镧系收缩与稀土原子和离子半径 44
2.3稀土元素的配合物化学 46
2.3.1成键特征 46
2.3.2配位数和配位构型 49
2.3.3合成及单晶培养 59
2.4三价稀土离子的电子结构 64
2.4.1镧系自由离子的光谱项和光谱支项 64
2.4.2晶体场分裂 74
2.4.3超精细分裂 77
参考文献 78

第3章稀土分子纳米磁体的基础理论81
3.1稀土配合物的基本磁学性质 82
3.1.1van Vleck方程 82
3.1.2变温磁化率 83
3.1.3变场磁化强度 85
3.2慢磁弛豫动力学 88
3.2.1概念 88
3.2.2慢磁弛豫性能参数 89
3.2.3自旋-晶格弛豫 90
3.2.4量子隧穿弛豫 93
3.3慢磁弛豫行为的实验分析 100
3.3.1慢磁弛豫行为的判断 100
3.3.2弛豫时间的提取 103
3.3.3弛豫时间的拟合与弛豫途径的分析 105
参考文献 108

第4章基于氧化膦配体的五角双锥构型稀土单离子磁体110
4.1五角双锥镝单离子磁体 112
4.1.1配合物的合成 112
4.1.2结构表征 113
4.1.3磁学性质研究 117
4.2五角双锥钬单离子磁体 127
4.2.1配合物的合成 127
4.2.2结构表征 128
4.2.3磁学性质研究 132
4.3磁构关系研究 138
4.3.1阴离子诱导的结构与磁学性质调控 138
4.3.2超精细相互作用 141
参考文献 141

第5章基于NITR配体的稀土单分子磁体143
5.1NITPhCOOMe的合成与磁性研究 144
5.1.1合成与基本表征 145
5.1.2NITPhCOOMe的单晶结构 146
5.1.3NITPhCOOMe的磁性研究 147
5.2基于NITPhCOOMe的稀土单分子磁体 151
5.2.1配合物的合成 151
5.2.2配合物的结构表征与分析 152
5.2.3磁学性质研究 156
参考文献 162

第6章一维Ln-NITR配合物的慢磁弛豫性质研究164
6.1配合物的合成 165
6.2配合物的表征 167
6.2.1晶体结构 167
6.2.2粉末X射线衍射 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
参考文献 183

第7章氧桥联的一维稀土“之”字链体系185
7.1配合物11～13的设计与合成 186
7.2配合物11～13的表征 188
7.2.1单晶X射线衍射分析 188
7.2.2红外光谱 190
7.2.3粉末X射线衍射、元素分析和热重分析 191
7.3配合物11～13的磁学性质 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
参考文献 208

附录211