相较于传统无机材料的结构刚性，金属有机框架（MOF）材料因其丰富的金属节点和廉价的有机连接体而独具优势。通过调节金属节点和有机连接体的种类或者空间网格的类型，原则上可以很方便地对材料的电子结构和性能进行定制。例如，研究人员前期利用Cr阳离子与有机配体阴离子之间的d-p直接自旋耦合作用，在系列二维MOF材料中实现了室温亚铁磁性。在此基础之上，李向阳副研究员与中国科大杨金龙院士团队李星星课题组合作，进一步利用d-p自旋耦合机制结合对称破坏的六元杂环配体，对128种构建的二维MOFs进行了系统性筛选，最终得到了三种同时具有室温亚铁磁性和铁电性/反铁电性的金属有机多铁材料，即Cr(1,2-噁嗪)2、Cr(1,2,4-三嗪)2和Cr(1,2,3,4-四嗪)2。
这些新材料的室温磁序介于306至495 K之间，源于Cr阳离子和配体环之间强的d-p直接自旋交换作用。研究还发现，这些材料都具有合适的铁电翻转能垒（0.18- 0.31 eV），其中Cr(1,2-噁嗪)2表现出铁电性，铁电极化强度达到4.24 pC/m，而其他两种材料则展现出反铁电性。此外，这些MOFs材料均为中等带隙的双极磁性半导体，其内部载流子自旋方向可通过门电压方便地进行翻转，为未来的电子器件设计提供了新的可能性。
该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和安徽省的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00210
图. 利用d-p自旋耦合与对称破缺六元杂环设计二维室温多铁材料的思路。
