電容器是儲(chǔ)存電量和電能（電勢能）的元件，幾乎用于所有的電子設(shè)備中。提高電容器容量的常規(guī)方法適用于大型電容器的制作，但對于當(dāng)前越來越微型化的器件則幾乎不可能，所以目前電子行業(yè)迫切需要開發(fā)單位尺寸內(nèi)具有高容量的超級電容器。磁性電容是一種潛在可能替換現(xiàn)有電容器的候選者，即在電容器上附加一個(gè)磁體可增加電容的容量或改善器件存儲(chǔ)電能的能力。然而，目前的磁電容器要么通過分別獨(dú)立的磁體和電容器進(jìn)行組裝，要么通過物理混合制備成復(fù)合物，具有本征磁電容性質(zhì)的材料目前尚未見報(bào)道。
分子化合物因其具有易合成、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，因此可根據(jù)需要的物理性質(zhì)易對功能基團(tuán)進(jìn)行設(shè)計(jì)和修飾，所以在材料領(lǐng)域備受青睞，而分子基磁電耦合材料尤為突出。任何化合物都有介電性質(zhì)，當(dāng)該化合物結(jié)晶在極性點(diǎn)群中時(shí)，它的介電性質(zhì)會(huì)得到大大改善。如果材料中引入順磁金屬離子時(shí)，那么就可以在同一材料實(shí)現(xiàn)磁性和介電性共存。當(dāng)金屬中心離子的磁各向異性很強(qiáng)時(shí)，軌道角動(dòng)量對磁矩的貢獻(xiàn)使化合物容易在弱磁場作用下產(chǎn)生磁致伸縮，從而誘導(dǎo)電結(jié)構(gòu)發(fā)生改變引起材料的電偶極矩的變化，形成磁電耦合。因?yàn)椴牧系碾娙菖c其介電常數(shù)成正比（C = εA/d，其中C為電容，ε為介電常數(shù)），所以利用具有磁介電耦合的材料就可獲得磁電容。
基于上述設(shè)計(jì)思路對磁電耦合材料進(jìn)行探討，功能晶態(tài)材料化學(xué)江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡兆波副教授&彭燕副教授聯(lián)合南京大學(xué)宋友教授&馬晶教授課題組，利用(CETAB)2[CuX4]（X = Cl (1)或Br (2)，CETAB = (2-chloroethyl)trimethylammonium）獲得了首例分子基磁電容化合物。
圖1. 配合物 1 和 2 在 293 K 下的分子結(jié)構(gòu)以及晶體堆積圖（沿 b 軸向下看）。[(CH3)3N(CH2)2Cl]+離子用紅色球形表示。
該類化合物因分子中，在溫度的驅(qū)動(dòng)下，陰陽離子有序無序轉(zhuǎn)變導(dǎo)致其在室溫附近發(fā)生一級結(jié)構(gòu)相變，高低溫兩相中[CuX4]2?離子的配位幾何構(gòu)型畸變程度不同，所以產(chǎn)生的Jahn-Teller畸變也不同，而自旋載體CuII對磁場的響應(yīng)導(dǎo)致兩相中的介電常數(shù)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響相中的電容性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)化合物在室溫前后首先發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，在同樣溫區(qū)兩個(gè)化合物均表現(xiàn)出非常顯著的磁性χMT、介電ε、比熱Cp和磁電容MC的變溫響應(yīng)。
圖2. 磁性、磁介電耦合和磁電容現(xiàn)象
結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，在該工作中，作者利用非常復(fù)雜且特殊收取單晶數(shù)據(jù)的方法獲得了明確的高低溫相單晶結(jié)構(gòu)，證實(shí)了該相變來源于陰陽離子在高溫下的有序無序轉(zhuǎn)變，為解釋觀察到的物理現(xiàn)象提供了依據(jù)。類似前面提到的那樣，Jahn-Teller效應(yīng)誘導(dǎo)了高低溫兩相中的不同結(jié)構(gòu)畸變，使得自旋載體同時(shí)作為電偶極矩的來源，所以產(chǎn)生磁電耦合，進(jìn)而形成磁電容。文章利用磁致伸縮和量子計(jì)算兩種方法對化合物的物理性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對如何設(shè)計(jì)合成這類材料提出了合理的構(gòu)想，特別是作者詳細(xì)闡述了利用零維化合物獲得磁電耦合和磁電容的優(yōu)勢。這無疑為分子材料中構(gòu)建具有磁電容效應(yīng)的化合物提供了可靠的思路。
該論文以 “Room-temperature Magnetocapacitance Spanning 97 K Hysteresis in Molecular Material” 為題發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上，江西理工大學(xué)為第一完成單位。江西理工大學(xué)2022級碩士研究生桂領(lǐng)澳和南京大學(xué)博士研究生陳家偉為本文共同第一作者，功能晶態(tài)材料化學(xué)江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡兆波副教授、彭燕副教授和南京大學(xué)馬晶教授、宋友教授為本文的共同通訊作者。
論文信息：Ling-Ao Gui,? Jiawei Chen,? Yi-Fan Zhang, Long-He Li, Jian-Rong Li, Zhao-Bo Hu*, Shi-Yong Zhang, Jinlei Zhang, Zhenyi Zhang, Heng-Yun Ye, Yan Peng*, Jing Ma* and You Song*, Room-temperature Magnetocapacitance Spanning 97 K Hysteresis in Molecular Material, Angewandte Chemie International Edition, 2024, DOI: 10.1002/anie.202416380.
