苏州纳米所康黎星等在碳纳米管限域合成一维磁性原子链研究方面取得新进展

低维磁性材料由于其特殊的磁学性质，在基础理论发展和自旋电子器件应用均有重要研究价值，因而引起了研究人员的广泛兴趣。二维磁性材料研究在过去的十多年里取得了长足进展，如铬基卤化物范德瓦尔斯磁体 CrX₃（X=I、Br、Cl）具有高度可调的磁性能，表现出明显的层数依赖。然而，这些奇妙的特性能否从二维延续到一维是一个极具吸引力和挑战性的问题。合成高质量一维磁性原子链是研究其物理特性的重要前提。然而，将二维宏观尺寸缩小到一维原子链，必然会导致卷曲和不稳定，这使得合成和表征非常具有挑战性。

针对上述问题，中国科学院苏州纳米所康黎星研究员等人采用碘辅助真空化学气相传输（I-VCVT）方法，以碳纳米管为模板，在其空腔内部高效率地制备了高质量一维CrCl₃原子链，并在光谱研究中发现了一维原子链结构与碳纳米管之间的电荷转移。对该体系动态磁性的全面研究发现，一维CrCl₃原子链在3 K左右存在自旋玻璃态冻结。该工作为控制合成一维磁性原子链提供了一个有效的策略，其丰富的磁学性质提供了物质基础充分研究其内在物理机制，也为未来开发基于一维磁性的自旋电子器件提供了基础。

图1. 一维 CrCl₃ 原子链的合成方法示意图和结构图

使用化学气相传输中常用的碘作为气相传输剂，增强了前驱体从碳纳米管表面向内部的扩散行为，从而获得了结晶质量优异的高连续性一维CrCl3原子链。

图2. 1D CrCl₃ 原子链在 SWCNT 中的封装

大范围的STEM以及EDX元素图谱的扫描表明一维 CrCl₃ 原子链被高效及均匀地封装在 SWCNT 的空腔内，原子分辨的低压TEM以及模拟图揭示了被封装的一维CrCl₃原子链的结构。

图3. CrCl3@SWCNTs 的拉曼和 XPS 表征

Raman表征发现了碳纳米管与封装物之间的主客体电荷转移，以及由此产生的G模式蓝移和RBM模式的抑制，XPS的C 1s峰向低能量移动佐证了主客体电荷转移。

图4. CrCl3@SWCNT 的直流和交流磁行为

对该体系动态磁性的全面研究发现，一维 CrCl₃原子链在3 K左右存在自旋玻璃态冻结，且在高场时存在磁场诱导有序相。   

相关工作以Efficient Synthesis of Highly Crystalline One-Dimensional CrCl₃ Atomic Chains with a Spin Glass State为题发表于ACS Nano，中国科学院苏州纳米所博士生李云飞和博士后李阿蕾、李晶为论文共同第一作者。上海科技大学曹克诚研究员和中国科学院苏州纳米所康黎星研究员、李清文研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、江苏省青年基金和中国科学技术大学“雏鹰基金”等项目的支持。