An Anisotropic Diluted Magnetic Hybrid Perovskite Series of [CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]

Sa Chen Ran Shang Bingwu Wang Zheming Wang Song Gao

Citation:  Chen Sa, Shang Ran, Wang Bingwu, Wang Zheming, Gao Song. An Anisotropic Diluted Magnetic Hybrid Perovskite Series of [CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3][J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(1): 190701. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907012 shu

一个各向异性磁稀释杂化钙钛矿系列[CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]

    通讯作者: 王哲明, zmw@pku.edu.cn
    高松, gaosong@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21671008

    国家自然科学基金 21621061

    国家自然科学基金(21671008, 21621061)和国家重点基础研究发展计划(2018YFA0306003)资助项目

    国家重点基础研究发展计划 2018YFA0306003

摘要: 作为与传统纯无机钙钛矿材料互补的体系,有机-无机或杂化钙钛矿材料结合了有机和无机成分各自的特性,在相变、临界现象和相关功能性质的研究中展现了众多新的可能性和机会。其中,金属甲酸铵钙钛矿表现优越,且其功能和性质十分依赖于金属离子和铵的特性。本工作借助固体化学中的固溶体策略,研究各向异性磁稀释杂化钙钛矿[CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]系列的制备、结构和磁性。该系列的全程固溶体(x = 0–1或摩尔百分比Co% = 0–100%)都可以用溶液化学方法制备获得,并由单晶和粉末X射线衍射确定了固溶体全程同构。它们都属于正交晶系,空间群Pnma,晶胞参数范围为a = 8.3015(2)–8.3207(3) Å,b = 11.6574(4)–11.6811(5) Å,c = 8.1315(3)–8.1427(4) Å,V = 787.89(5)–790.98(7) Å3 (1 Å = 0.1 nm)。钙钛矿结构由金属-甲酸的简单立方阴离子骨架和骨架孔穴中的CH3NH3+阳离子构成,CH3NH3+阳离子和骨架之间形成N―H···O氢键。在这个系列中,固溶体晶体结构的点阵和结构参数几乎没有变化。因此,该系列提供了一个很好的在结构和分子几何参数不变的条件下研究磁稀释效应的分子磁性体系。在逐步稀释的过程中,Co2+离子的磁各向异性和逐渐消失的较大自旋倾斜的贡献,抑制或减少了在低温和低场下的磁化强度,这与各向同性[CH3NH3][MnxZn1-x(HCOO)3]体系在磁稀释时磁化强度增大的行为相反。实验获得的逾渗阈值为(Co%)P = 27(1)% (或xP = 0.27(1)),低于按逾渗理论得到的简单立方格子上的逾渗阈值31%,这也是由于[CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]体系磁各向异性的缘故。此外,观察到纯金属Co和Zn成员在约120 K左右发生少见的非公度相变。低温下的非公度性对于磁性质也产生一定的影响。

English

    1. [1]

      (a) Wang, Z. L.; Wang, Z. C. Functional and Smart Materials – Structural Evolution and Structural Analysis; Plenum Press: New York, 1998.
      (b) Müller, K. A.; Kool, T. W. Properties of Perovskites and Other Oxides; World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.: London, 2010.

    2. [2]

      (a) Saparov, B.; Mitzi, D. B. Chem. Rev. 2016, 116, 4558. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00715
      (b) Mitzi, D. B. Prog. Inorg. Chem. 1999, 48, 1. doi: 10.1002/9780470166499.ch1
      (c) Li, W.; Wang, Z. M.; Deschler, F.; Gao, S.; Friend, R. H.; Cheetham, A. K. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16099. doi: 10.1038/natrevmats.2016.99
      (d) Xu, W. J.; Du, Z. Y.; Zhang, W. X.; Chen, X. M. CrystEngComm 2016, 18, 7915. doi: 10.1039/c6ce01485b

    3. [3]

      (a) Shang, R.; Chen, S.; Wang, Z. M.; Gao, S. Functional Magnetic Materials Based on Metal Formate Frameworks. In Metal-Organic Framework Materials; Macgillivray, L. R., Lukehart, C. M. Eds; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester, 2014. doi: 10.1002/9781119951438.eibc2215
      (b) Wang, Z. M.; Hu, K. L.; Gao, S.; Kobayashi, H. Adv. Mater. 2010, 22, 1526. doi: 10.1002/adma.200904438

    4. [4]

      (a) Wang, Z. M.; Zhang, B.; Otsuka, T.; Inoue, K.; Kobayashi, H.; Kurmoo, M. Dalton Trans. 2004, 2209. doi: 10.1039/b404466e
      (b) Wang, X. Y.; Gan, L.; Zhang, S. W.; Gao, S. Inorg. Chem. 2004, 43, 4615. doi: 10.1021/ic0498081
      (c) Hu, K. L.; Kurmoo, M.; Wang, Z. M.; Gao, S. Chem. Eur. J. 2009, 15, 12050. doi: 10.1002/chem.200901605

    5. [5]

      (a) Chen, S.; Shang, R.; Hu, K. L.; Wang, Z. M.; Gao, S. Inorg. Chem. Front. 2014, 1, 83. doi: 10.1039/c3qi00034f
      (b) Kieslich, G.; Kumagai, S.; Butler, K. T.; Okamura, T.; Hendon, C. H.; Sun, S.; Yamashita, M.; Walshd, A.; Cheetham, A. K. Chem. Commun. 2015, 51, 15538. doi: 10.1039/c5cc06190c
      (c) Kieslich, G.; Forse, A. C.; Sun, S.; Butler, K. T.; Kumagai, S.; Wu, Y.; Warren, M. R.; Walsh, A.; Grey, C. P.; Cheetham, A. K. Chem. Mater. 2016, 28, 312. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04143

    6. [6]

      (a) Gómez-Aguirre, L. C.; Pato-Doldán, B.; Mira, J.; Castro-García, S.; Señarís-Rodríguez, M. A.; Sánchez-Andújar, M.; Singleton, J.; Zapf, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1122. doi: 10.1021/jacs.5b11688
      (b) Fu, D. W.; Zhang, W.; Cai, H. L.; Zhang, Y.; Ge, J. Z.; Xiong, R. G.; Huang, S. D.; Nakamura, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11947. doi: 10.1002/anie.201103265
      (c) Jain, P.; Ramachandran, V.; Clark, R. J.; Zhou, H. D.; Toby, B. H.; Dalal, N. S.; Kroto, H. W.; Cheetham, A. K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13625. doi: 10.1021/ja904156s
      (d) Mączka, M.; Gągor, A.; Ptak, M.; Paraguassu, W. T.; da Silva, A.; Sieradzki, A.; Pikul, A. Chem. Mater. 2017, 29, 2264. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b05249

    7. [7]

      (a) Yu, Y.; Shang, R.; Chen, S.; Wang, B. W.; Wang, Z. M.; Gao, S. Chem. Eur. J. 2017, 23, 9857. doi: 10.1002/chem.201701099
      (b) Mączka, M.; Pietraszko, A.; Macalik, L.; Sieradzki, A.; Trzmiel, J.; Pikul, A. Dalton Trans. 2014, 43, 17075. doi: 10.1039/c4dt02586e
      (c) Mączka, M.; Bondzior, B.; Dereń, P.; Sieradzki, A.; Trzmiel, J.; Pietraszko, A.; Hanuza, J. Dalton Trans. 2015, 44, 6871. doi: 10.1039/c5dt00060b
      (d) Ptak, M.; Mączka, M.; Gągor, A.; Sieradzki, A.; Stroppa, A.; Di Sante, D.; Perez-Mato, J. M.; Macalik, L. Dalton Trans. 2016, 45, 2574. doi: 10.1039/c5dt04536c
      (e) Ptak, M.; Mączka, M.; Gągor, A.; Sieradzki, A.; Bondzior, B.; Dereń, P.; Pawlus, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 29629. doi: 10.1039/c6cp05151k

    8. [8]

      (a) Chen, S.; Shang, R.; Wang, B. W.; Wang, Z. M.; Gao, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11093. doi: 10.1002/anie.201504396
      (b) Kieslich, G.; Kumagai, Sh.; Forse, A. C.; Sun, S.; Henke, S.; Yamashita, M.; Greyd, C. P.; Cheetham, A. K. Chem. Sci. 2016, 7, 5108. doi: 10.1039/c6sc01247g

    9. [9]

      (a) Evans, N. L.; Thygesen, P. M. M.; Boströ m, H. L. B.; Reynolds, E. M.; Collings, I. E.; Phillips, A. E.; Goodwin, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9393. doi: 10.1021/jacs.6b05208
      (b) Shang, R.; Sun, X.; Wang, Z. M.; Gao, S. Chem. Asian J. 2012, 7, 1697. doi: 10.1002/asia.201200139

    10. [10]

      (a) Chen, S. Ammonium-Metal-Formate Perovskites: Coexistence and Manipulation of Magnetic and Electric Ordering. Ph. D. Dissertation, Peking University, Beijing, 2016.
      (b) Yu, Y. The Study on the Functional Materials of Heterometallic Ammonium Metal Formates. Ph. D. Dissertation, Peking University, Beijing, 2017.

    11. [11]

      (a) de Jongh, L. J. Static Thermodynamic Properties of Site-Random Magnetic Systems and Percolation Problem. In Magnetic Phase Transitions - Proceedings of a Summer School; Ausloos, M., Elliott R. J. Eds.; Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 1983; pp. 172-194.
      (b) Binder, K.; Kob, W. Glassy Materials and Disordered Solids – An Introduction to Their Statictical Mechanics; World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.: Singapore, 2005.
      (c) Zallen, R. The Physics of Amorphous Solids; Wiley: New York, 1983.

    12. [12]

      CrysAlisPro software, Rigaku Oxford Diffraction: Tokyo, Japan, 2015.

    13. [13]

      Sheldrick, G. M. SHELX-97, Program for Crystal Structure Determination, University of Göttingen, Germany, 1997.

    14. [14]

      Mulay, L. N.; Boudreaux, E. A. Theory and Applications of Molecular Diamagnetism; John Wiley & Sons Inc.: New York, 1976.

    15. [15]

      Nakamoto, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds; Wiley: New York, 1986.

    16. [16]

      (a) Mączka, M.; Ciupa, A.; Gągor, A.; Sieradzki, A.; Pikul, A.; Macalik, B.; Drozd, M. Inorg. Chem. 2014, 53, 5260. doi: 10.1021/ic500479e
      (b) Mączka, M.; Ptak, M.; Macalik, L. Vib. Spectrosc. 2014, 71, 98. doi: 10.1016/j.vibspec.2014.01.013
      (c) Mączka, M.; Szymborska-Małek, K.; Ciupa, A.; Hanuza, J. Vib. Spectrosc. 2015, 77, 17. doi: 10.1016/j.vibspec.2015.02.003

    17. [17]

      (a) van Smaalen, S. Incommensurate Crystallography; Oxford University Press Inc.: New York, 2007.
      (b) Janssen, T.; Chapuis, G.; de Boissieu, M. Aperiodic Crystals: from Modulated Phases to Quasicrystals; Oxford University Press Inc.: New York, 2007.

    18. [18]

      Chen, S.; Shang, R.; Wang, B. W. Wang, Z. M.; Gao, S. APL Mater. 2018, 6, 114205. doi: 10.1063/1.5040688

    19. [19]

      Carlin, R. L.; van Duyneveldt, A. J. Magnetic Properties of Transition Metal Compounds; Springer-Verlag: New York, 1977. http://d.old.wanfangdata.com.cn/OAPaper/oai_arXiv.org_cond-mat%2f0611179

    20. [20]

      (a) Kurmoo, M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1353. doi: 10.1039/b804757j
      (b) Lloret, F.; Julve, M.; Cano, J.; Ruiz-García, R.; Pardo, E. Inorg. Chim. Acta 2008, 361, 3432. doi: 10.1016/j.ica.2008.03.114
      (c) Palii, A. V.; Tsukerblat, B. S.; Coronado, E.; Clemente-Juan, J. M.; Borras-Almenar, J. J. Inorg. Chem. 2003, 42, 2455. doi: 10.1021/ic0259686

    21. [21]

      Boča, M.; Svoboda, I.; Renz, F.; Fuess, H. Acta Cryst. C. 2004, 60, m631. doi: 10.1107/s0108270104025776

    22. [22]

      Casey, A. T.; Mitra, S. Magnetic Behavior of Components Containing dn Ions. In Theory and Application of Molecular Paramagnetism; Mulay, L. N., Boudreaux, E. A. Eds; Wiley: New York, 1976; pp. 211-215.

    23. [23]

      (a) Breed, D. J.; Gilijamse, K.; Sterkenburg, J. W. E.; Miedema, A. R. J. Appl. Phys. 1970, 41, 1267. doi: 10.1063/1.1658906
      (b) Harris, A. B.; Kirkpatrick, S. Phys. Rev. B 1977, 16, 542. doi: 10.1103/physrevb.16.542
      (c) King, A. R.; Jaccarino, V. J. Appl. Phys. 1981, 52, 1785. doi: 10.1063/1.329714

    24. [24]

      Manaka, H.; Nagata, S.; Watanabe, Y.; Kikunaga, K.; Yamamoto, T.; Terada, N.; Obara, K. J. Phys.: Conf. Ser. 2009, 145, 012080. doi: 10.1088/1742-6596/145/1/012080

    25. [25]

      (a) Christensen, K.; Moloney, N. R. Complexity and Criticality; Imperial College Press: London, 2005.
      (b) Stinchcombe, R. B. J. Phys. C: Solid State Phys. 1979, 12, 4533. doi: 10.1088/0022-3719/12/21/020
      (c) Sur, A.; Lebowitz, J. L.; Marro, J.; Kalos, M. H.; Kirkpatrick, S. J. Statis. Phys. 1976, 15, 345. doi: 10.1007/bf01020338

    26. [26]

      (a) Enoki, T.; Tsujikawa, I. J. Phys. Soc. Japan 1975, 39, 324. doi: 10.1143/jpsj.39.324
      (b) Elliott, R. J.; Heap, B. R. Proc. R. Soc. London. Ser. A 1962, 265, 264. doi: 10.1098/rspa.1962.0008

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  955
  • HTML全文浏览量:  97
文章相关
  • 发布日期:  2020-01-15
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 接受日期:  2019-09-06
  • 修回日期:  2019-09-05
  • 网络出版日期:  2019-01-20
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章