钾铷掺杂苯基萘与苯基喹啉类分子的磁性研究

作     者：任闯 

作者单位：湖北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄忠兵

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：2-苯基萘 2-苯基喹啉 1-苯基异喹啉 钾铷掺杂 磁性 

摘      要：碱金属掺杂有机芳香烃是近年来物理学、材料学和化学等领域的一个重要研究方向,人们已经在该体系中发现了新型的有机超导体和有机分子磁体。本论文采用两步固相反应法对一些稠环与非稠环结合的混合芳香烃进行了钾铷掺杂实验,成功合成了稳定的分子晶体,并进一步研究了部分样品的物理性质。我们通过X-射线衍射(XRD)仪、Raman光谱仪和综合物性测量系统(PPMS)等各种设备对掺杂样品的相关性质进行了测试表征。另外,我们运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对材料的晶体结构和电子结构进行了研究。本论文的主要研究工作包括:1.采用恒温加热超声与低温高真空退火的两步制备工艺,开展了钾铷掺杂2-苯基萘的实验。XRD测量结果表明,钾掺杂样品主要含纯2-苯基萘和非晶相,而铷掺杂样品与纯2-苯基萘的XRD图谱存在明显差异,这说明我们获得了结晶性良好的铷掺杂2-苯基萘样品。磁性测量结果表明,纯2-苯基萘表现为抗磁性,而铷掺杂样品在整个测试温区(1.8-300 K)都表现出顺磁性的行为,并且每个分子最高存在0.55μ的磁矩。此外,在拉曼光谱中出现了多个振动峰的红移现象,这是因为铷的5s电子向碳的2p轨道上转移从而引起拉曼模式的软化效应,这种电荷转移同时形成了分子上的局域磁矩。2.采用恒温加热超声与低温高真空退火的两步制备工艺,开展了钾铷掺杂2-苯基喹啉的实验。XRD测量结果表明,我们仅获得了结晶性良好的钾掺杂2-苯基喹啉样品。磁性测量结果显示,纯的2-苯基喹啉表现为抗磁性,而钾掺杂样品呈现出居里温度约为50.0 K的弱铁磁性。根据XRD测试和第一性原理计算可知,钾掺杂2-苯基喹啉分子晶体具有P1空间对称群,钾和2-苯基喹啉的摩尔比为1:1。电子结构的计算结果表明,磁矩是由K的4s电子转移到碳的2p轨道上形成的,拉曼光谱的红移现象进一步证实了这一结果。磁矩在喹啉分子和苯基官能团上都有分布,在ab平面内相邻分子磁矩呈现非共线的反铁磁排列,沿着c轴方向上的相邻分子磁矩之间呈现铁磁排列,每个晶胞具有0.004μ的净磁矩,这是弱铁磁性产生的原因。3.采用恒温加热超声与低温高真空退火的两步制备工艺,开展了钾铷掺杂1-苯基异喹啉的实验。XRD测量结果表明,钾掺杂样品形成的主要是非晶相,而铷掺杂1-苯基异喹啉样品与纯1-苯基异喹啉的XRD图谱存在明显差异,表明我们获得了结晶性良好的铷掺杂1-苯基异喹啉样品。磁性测量结果显示,纯的1-苯基异喹啉表现出抗磁性,而铷掺杂1-苯基异喹啉样品在225 K以下具有低维反铁磁性行为。此外,在拉曼光谱中出现了多个振动峰的红移现象,这是因为铷的5s电子向碳的2p轨道上转移引起的拉曼模式的软化效应,同时电荷转移导致分子上局域磁矩的形成。本论文的研究工作将碱金属掺杂芳香烃的研究范围扩展到稠环与非稠环结合的混合芳香烃中,这不仅为探寻有机磁体提供了一条新的途径,而且有助于理解混合芳香烃分子内和分子间的磁相互作用。