自旋電子器件基于電子的自旋進行信息的傳遞、處理與存儲，具有目前傳統(tǒng)半導體電子器件無法比擬的快速、高效、低能耗等優(yōu)勢，被認為是未來信息技術(shù)的重要載體。尋找具有高自旋極化率與居里溫度的磁性材料，是制備自旋電子器件的一個基礎(chǔ)。其中，半金屬磁性材料可以提供完全極化的載流子，被視為構(gòu)建自旋電子器件的理想材料，吸引了相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和研究。目前，已有報道的半金屬磁性材料有Heusler化合物、金屬有機化合物與一些金屬材料，然而尋找實驗可行、具有半金屬磁性的低維材料依然是一大挑戰(zhàn)。最近武曉君教授課題組基于第一性原理計算，首次提出了通過在一維受限空間內(nèi)組裝MH3（M=Sc, Cr, Mn和Co）分子，可以獲得穩(wěn)定的、具有半金屬磁性的過渡金屬氫化物分子納米線，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society雜志。

    通過計算，他們證明了MH3分子形成納米線是一個放熱的過程，氫原子作為橋聯(lián)配體連接相鄰的金屬原子，過渡金屬氫化物分子納米線具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。第一性原理分子動力學模擬顯示，在15皮秒的模擬過程中，CoH3，CrH3與MnH3分子納米線可以分別在500與600K的溫度下保持其基本結(jié)構(gòu)，而ScH3分子納米線則可以在1200K的高溫下保持分子納米線的基本結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相對差異主要來源于金屬與橋聯(lián)配體氫的成鍵強度。

    研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，MH3分子納米線中金屬原子的d軌道在橋聯(lián)配體形成的晶體場中發(fā)生分裂，金屬與金屬之間存在較強的交換作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的電學與磁性特性。其中，MnH3分子納米線是一維鐵磁材料，可以通過電子或空穴摻雜轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S半金屬鐵磁材料，而CoH3分子納米線則是半金屬鐵磁材料。蒙特卡洛模擬則顯示CoH3分子納米線的居里溫度可以達到98K，這一數(shù)值高于液氮溫度，也遠高于已經(jīng)報道的一維金屬有機納米線的居里溫度。同時，MnH3分子納米線的居里溫度則高達1370K，為發(fā)展室溫自旋電子器件材料提供了可能。

    這一研究不僅提供了基于過渡金屬氫化物分子獲得一維納米線的新思路，而且更重要的是，文中報道具有半金屬磁性的過渡金屬氫化物分子納米線，勢必為尋找低維自旋電子器件材料提供了新的啟示。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、青年拔尖人才支持計劃項目的資助，該論文第一作者為李秀玲和呂海峰。