廈門大學Adv. Mater.：MOF的室溫巨磁介電響應

【引言】

磁介電效應(MD)材料是指介電性能可以通過磁場調控的材料，近年來因其在新型功能器件(如諧振電容器及數據存儲的電容式讀出磁頭等)中的潛在應用受到了研究者們的廣泛關注。理想的MD材料應同時具有巨磁介電響應、小的調控磁場和室溫(或較高)的調控溫度，然而能夠同時滿足上述優點的材料很少，因為外磁場下的巨磁介電響應往往需要自旋與電偶極之間的強烈耦合。因此，室溫低場條件下的磁介電效應材料的開發至關重要。金屬有機骨架(MOFs)因其結構多樣性和可設計性，被廣泛用于多鐵性材料的研究，但其磁介電響應溫度很低(＜200K)。有研究顯示La₂NiMnO₆、BiMn₂O₅、LuFe₂O₄中過渡金屬的電子躍遷能夠顯著增強其室溫附近的磁介電響應。因此，有望在含過渡金屬離子的MOFs中獲得室溫巨磁介電響應。

【成果簡介】

近日，廈門大學化學化工學院龍臘生教授和趙海霞博士(共同通訊作者)等人在Adv. Mater.發表了題為“Giant Room-Temperature Magnetodielectric Response in a MOF at 0.1 Tesla”的研究論文，首次報道了MOF室溫下的磁介電響應。研究團隊通過設計合成了一種鎳離子摻雜的混合價態MOF，[NH₂(CH₃)₂]_n[Fe^IIIFe^II_(1-x)Ni^II_x(HCOO)₆]_n(x≈0.63-0.69)(記為MOF1)，并對其晶體結構、微觀相貌、磁化率、介電性能等進行了表征，獲得了0.1 T磁場下及300-410 K溫度范圍內磁介電耦合系數可達到-20% ～-24%磁介電效應材料。這是迄今為止首例室溫低場磁介電MOF材料。機理分析表明Ni^II離子間的電子躍遷對巨磁介電響應具有重要貢獻。MOFs具有結構多樣性和可控性，而且容易制成薄膜，因此有望開創一類新型的磁介電效應材料的研究并實現其實際應用。

【圖文導讀】

圖1?MOF1的結構及磁化率與溫度的關系

(a) MOF1沿a軸方向的3D結構。Fe^III/Ni^III，黃色；Fe^II/Ni^II，綠色；O，紅色；N，藍色；C，灰色；

(b)1kOe時，χ_mT的熱波動曲線。插圖是MOF1在零場冷(ZFC)和1kOe場冷(FC)下的磁化曲線。

圖2?MOF1的介電常數和介電損耗隨溫度的變化

(a-b)在不同頻率下，MOF1沿(a)c軸和(b)ab面的介電常數和介電損耗隨溫度的變化。

圖3?MOF1的電導率

(a)E∥c時，MOF1的電導率與溫度的關系；

(b)E⊥c時，MOF1的電導率與溫度的關系。

圖4 MOF1在外磁場下介電常數的變化

(a)100Hz下，零場和外磁場為0.1T(E//c、H//c)時測得的介電常數隨溫度的變化；

(b)100Hz下，外磁場為0.1T時，-Δε’/’ε₍₀₎隨溫度的變化。

【小結】

本文通過水熱合成制備了一種鎳離子摻雜的MOF，在小的外加磁場下觀察到了其室溫巨磁介電響應，實現了室溫低場磁介電MOF材料的首次成功設計與合成。基于MOFs的磁介電材料的合成，不僅提供了一類新型的磁介電效應材料，還為MOFs在新型器件中的實際應用夯實了基礎。

文獻鏈接：Giant Room-Temperature Magnetodielectric Response in a MOF at 0.1 Tesla?(Adv. Mater., 2017，DOI:?10.1012/adma.201702512)

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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