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Angew:手性配位陽離子引入鈣鈦礦實現強磁-手性光學效應

來源:南開大學      2024-12-09
導讀:磁手性鈣鈦礦可以打破空間和時間反演對稱性,在信息存儲、光電探測器、多鐵性和自旋電子學中具有巨大的應用潛力。構筑磁手性鈣鈦礦的傳統策略,要求通過A位工程引入手性,并通過B位工程引入磁性離子,這對磁手性鈣鈦礦的設計與研究提出了挑戰。本論文通過在A位引入手性過渡金屬配位陽離子(同時引入手性和磁性),建立了使用單一A位工程構建磁手性鈣鈦礦的新策略,并為磁-手性光學和手性自旋電子學的發展提供了多功能材料平臺。

正文

手性雜化鈣鈦礦具有優異的手性光學與自旋性能,最近獲得廣泛的研究興趣。通過A位工程引入不同的手性有機陽離子對手性鈣鈦礦進行改造,這一通用策略已取得顯著進展,但也存在一些局限,如:磁性無法通過傳統A位工程實現。目前構建磁性鈣鈦礦的通用方法仍需引入磁性離子(如Cu2+Ru3+Ce3+等)作為B位。為獲得磁手性鈣鈦礦,需要同時開展A位和B位工程,這阻礙了磁手性鈣鈦礦的發展。因此,需要發展一種能更靈活地引入手性和磁性的新策略。手性配體與磁性過渡金屬配位中心的結合,為耦合手性與磁性提供了新的平臺。與傳統有機陽離子相比,過渡金屬配位陽離子可以引入配合物獨特的磁性、自旋和光學特性(如d-d躍遷,重原子效應和MLCT等)。本文基于手性環己二胺合銅(Ⅱ)配位陽離子,構建了鉛基磁手性鈣鈦礦R-/S-CDPB。為構建磁手性鈣鈦礦提供了一種新策略,并揭示了R-/S-CDPB在磁-手性光學和手性自旋電子學應用中的潛力。

圖1. 引入過渡金屬配位陽離子構建磁手性鈣鈦礦的策略

通過反溶劑法直接合成了R-/S-CDPB單晶,由于手性轉移,R-/S-CDPB中畸變的Cu(DACH)2Br2 Jahn-Teller八面體和[PbBr5X]3-(X=OS)八面體以順時針和逆時針形式連接。這種二維手性Pb-Br-Cu面本質上是零維鈣鈦礦結構的衍生,其中配位陽離子作為傳統A位工程中有機銨的結構替代物,Jahn-Teller相互作用取代了傳統零維鈣鈦礦中的氫鍵。R-/S-CDPB結晶在P212121空間群,進一步證實了它們的手性性質。R-/S-CDPB表現出順磁行為,有效磁矩約1.82 μB,帶隙約為3.45 eV,所有吸收峰均具備NCD響應,以540 nm為中心的峰歸因于Cud-d躍遷,并觀察到440 nm處的藍色發射。

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圖2. R-/S-CDPB的晶體結構和螺旋連接方式

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圖3. 磁性和零磁場下的光學性質

0.4-1.3 T外磁場下,測量了R-/S-CDPB的表觀CD光譜。由于固有的結構手性,同一樣品在正負磁場下觀察到CD_tot的不對稱特征,而正磁場下R-CDPBCD_tot信號與負磁場下的S-CDPBCD_tot信號鏡像對稱。在335 nm處,磁場對S-CDPBR-CDPB圓二色性的調制可以達到+514%-474%(以NCD為參考)。大的MCD響應歸因于抗磁鉛鹵八面體的法拉第A項與順磁配位陽離子的法拉第C項的共同貢獻。

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圖4. R-/S-CDPB的MCD光譜

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圖5. 對MCD來源的分析

最后,通過將磁場的方向切換為平行或反平行于光矢,測試了2 K下的磁手性二色性(MChD)光譜。R-CDPBS-CDPB具備相反的MChD響應,僅由Cu2+的原子內d-d躍遷決定。正如CDMCDMChD所揭示的,在R-/S-CDPB中觀察到紫外和全可見范圍內的可調磁-手性光學效應。

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圖6.R-/S-CDPB的MChD效應


總結

本工作開發了一種設計多功能手性鈣鈦礦的新策略,通過單一A位工程引入手性過渡金屬配位陽離子,構建磁手性鈣鈦礦。研究表明這些材料在磁-手性光學和手旋自旋電子學應用方面具有巨大的潛力。
相關成果發表在Angewandte Chemie International Edition上,論文第一作者為南開大學博士生路浩林,論文通訊作者為南開大學龍官奎研究員、國家納米科學中心唐智勇院士與蘭州大學張浩力教授,研究得到了南開大學陳永勝教授,南京大學鄭佑軒教授和北卡州立大學孫達力教授等的支持與指導。

文獻詳情:

Strong Magneto-chiroptical Effects through Introducing Chiral Transition-metal Complex Cations to Lead Halide

Guankui Long,Haolin Lu, Fenglian Qi, Hebin Wang, Tengfei He, Bing Sun, Xiaoqing Gao, Andrew H. Comstock, Sehrish Gull, Yunxin Zhang, Tianjiao Qiao, Tianyin Shao, You-Xuan Zheng, Dali Sun, Yongsheng Chen, Hao-Li Zhang, Zhiyong Tang

Angew. Chem. Int. Ed. 2024

https://doi.org/10.1002/anie.202415363

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