Lanthanide-based Single Molecule Magnets

doi:10.6023/A15060376

Abstract

Single-molecular magnets (SMMs) that display magnetic bistability and slow relaxation process have unique potential in ultrahigh-density memory components and spintronic devices. Lanthanide-based SMMs (Ln-SMMs) have sparked increasing interest recently due to the large magnetic moments and large magnetic anisotropy. A few reviews about lanthanide-based SMMs have been reported, which mainly focused on their syntheses, structures and magnetic properties. The present review concentrates on following aspects: (1) strategies of constructing Ln-SMMs showing high anisotropy energy barriers, (2) understanding the complex relaxation mechanisms, and (3) tunable magnetic dynamics and multifunctional properties of the lanthanide-based SMMs. The work will help us better understand the chemical and physical natures of the Ln-SMMs, and provides new routes in designing new lanthanide-based SMMs with interesting magnetic and multifunctional properties.

Key words: single molecular magnet, lanthanide, relaxation mechanism, tunable, optical, multifunction

Cite this article

Ren Min, Zheng Li-Min. Lanthanide-based Single Molecule Magnets[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(11): 1091-1113.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Leuenberger, M. N.; Loss, D. Nature 2001, 410, 789.
[2] Wernsdorfer, W.; Sessoli, R. Science 1999, 284, 133.
[3] Gatteschi, D.; Sessoli, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 268.
[4] Bogani, L.; Wernsdorfer, W. Nat. Mater. 2008, 7, 179.
[5] Urdampilleta, M.; Klyatskaya, S.; Cleuziou, J. P.; Ruben, M.; Wernsdorfer, W. Nat. Mater. 2011, 10, 502.
[6] Vincent, R.; Klyatskaya, S.; Ruben, M.; Wernsdorfer, W.; Balestro, F. Nature 2012, 488, 357.
[7] Friedman, J. R.; Sarachik, M. P. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 3830.
[8] Gatteschi, D.; Sessoli, R.; Villain, J. Molecular Nanomagnets, Oxford University, 2006.
[9] Rinehart, J. D.; Long, J. R. Chem. Sci. 2011, 2, 2078.
[10] Pedersen, K. S.; Bendix, J.; Clérac, R. Chem. Commun. 2014, 50, 4396.
[11] Gómez-Coca, S.; Urtizberea, A.; Cremades, E.; Alonso, P. J.; Camón, A.; Ruiz, E.; Luis, F. Nat. Commun. 2014, 5, 4300.
[12] Sessoli, R.; Powell, A. K. Coord. Chem. Rev. 2009, 253, 2328.
[13] Wang, B. W.; Jiang, S. D.; Wang, X. T.; Gao, S. Sci. China B: Chem. 2009, 52, 1739.
[14] Sorace, L.; Benelli, C.; Gatteschi, D. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 3092.
[15] Luzon, J.; Sessoli, R. Dalton Trans. 2012, 41, 13556.
[16] Habib, F.; Murugesu, M. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 3278.
[17] Woodruff, D. N.; Winpenny, R. E. P.; Layfield, R. A. Chem. Rev. 2013, 113, 5110.
[18] Zhang, P.; Guo, Y.-N.; Tang, J. Coord. Chem. Rev. 2013, 257, 1728.
[19] Ren, M.; Zheng, L.-M. Prog. Phys. 2014, 34, 119.
[20] Wybourne, B. G. Spectroscopic Properties of Rare Earths, Wiley, New York, 1965.
[21] Guo, Y.-N.; Ungur, L.; Granroth, G. E.; Powell, A. K.; Wu, C.; Nagler, S. E.; Tang, J.; Chibotaru, L. F.; Cui, D. Sci. Rep. 2014, 4, 5471.
[22] Zhang, P.; Zhang, L.; Wang, C.; Xue, S.; Lin, S.-Y.; Tang, J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4484.
[23] Ishikawa, N.; Sugita, M.; Ishikawa, T.; Koshihara, S.-Y.; Kaizu, Y. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8694.
[24] Ishikawa, N.; Sugita, M.; Wernsdorfer, W. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3650.
[25] Liu, J.-L.; Chen, Y.-C.; Zheng, Y.-Z.; Lin, W.-Q.; Ungur, L.; Wernsdorfer, W.; Chibotaru, L. F.; Tong, M.-L. Chem. Sci. 2013, 4, 3310.
[26] Liu, J.-L.; Wu, J.-Y.; Chen, Y.-C.; Mereacre, V.; Powell, A. K.; Ungur, L.; Chibotaru, L. F.; Chen, X.-M.; Tong, M.-L. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 12966.
[27] Ungur, L.; LeRoy, J. J.; Korobkov, I.; Murugesu, M.; Chibotaru, L. F. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 4413.
[28] Meihaus, K. R.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17952.
[29] Jiang, S.-D.; Wang, B.-W.; Sun, H.-L.; Wang, Z.-M.; Gao, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4730.
[30] Chilton, N. F.; Goodwin, C. A. P.; Mills, D. P.; Winpenny, R. E. P. Chem. Commun. 2015, 51, 101.
[31] AlDamen, M. A.; Clemente-Juan, J. M.; Coronado, E.; Martí-Gastaldo, C.; Gaita-Ariño, A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8874.
[32] Chilton, N. F.; Collison, D.; McInnes, E. J. L.; Winpenny, R. E. P.; Soncini, A. Nat. Commun. 2013, 4, 2551.
[33] Le Roy, J. J.; Korobkov, I.; Murugesu, M. Chem. Commun. 2014, 50, 1602.
[34] Ungur, L.; Chibotaru, L. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 20086.
[35] Blagg, R. J.; Ungur, L.; Tuna, F.; Speak, J.; Comar, P.; Collison, D.; Wernsdorfer, W.; McInnes, E. J. L.; Chibotaru, L. F.; Winpenny, R. E. P. Nat. Chem. 2013, 5, 673.
[36] Singh, S. K.; Gupta, T.; Shanmugam, M.; Rajaraman, G. Chem. Commun. 2014, 50, 15513.
[37] Cosquer, G.; Pointillart, F.; Golhen, S.; Cador, O.; Ouahab, L. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 7895.
[38] Blagg, R. J.; Muryn, C. A.; McInnes, E. J. L.; Tuna, F.; Winpenny, R. E. P. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 6530.
[39] Pineda, E. M.; Chilton, N. F.; Marx, R.; Dörfel, M.; Sells, D. O.; Neugebauer, P.; Jiang, S.-D.; Collison, D.; van Slageren, J.; McInnes, E. J. L.; Winpenny, R. E. P. Nat. Commun. 2014, 5, 5243.
[40] Guo, Y.-N.; Xu, G.-F.; Wernsdorfer, W.; Ungur, L.; Guo, Y.; Tang, J.; Zhang, H.-J.; Chibotaru, L. F.; Powell, A. K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11948.
[41] Le Roy, J. J.; Ungur, L.; Korobkov, I.; Chibotaru, L. F.; Murugesu, M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8003.
[42] Rinehart, J. D.; Fang, M.; Evans, W. J.; Long, J. R. Nat. Chem. 2011, 3, 538.
[43] Rinehart, J. D.; Fang, M.; Evans, W. J.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14236.
[44] Ungur, L.; Lin, S.-Y.; Tang, J.; Chibotaru, L. F. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 6894.
[45] Tang, J.; Hewitt, I.; Madhu, N. T.; Chastanet, G.; Wernsdorfer, W.; Anson, C. E.; Benelli, C.; Sessoli, R.; Powell, A. K. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 1729.
[46] Carilin, R. L. Magnetochemistry, Springer-Verlag, New York, 1986.
[47] Kahn, O. Molecular Magnetism, VCH, New York, 1993.
[48] Singh, A.; Shrivastava, K. N. Phys. Status Solidi B 1979, 95, 273.
[49] Shrivastava, K. N. Phys. Status Solidi B 1983, 117, 437.
[50] Guo, Y.-N.; Xu, G.-F.; Gamez, P.; Zhao, L.; Lin, S.-Y.; Deng, R.; Tang, J.; Zhang, H.-J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8538.
[51] Fatila, E. M.; Rouzières, M.; Jennings, M. C.; Lough, A. J.; Clérac, R.; Preuss, K. E. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9596.
[52] Pointillart, F.; Bernot, K.; Golhen, S.; LeGuennic, B.; Guizouarn, T.; Ouahab, L.; Cador, O. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1504.
[53] Jeletic, M.; Lin, P.-H.; Le Roy, J. J.; Korobkov, I.; Gorelsky, S. I.; Murugesu, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19286.
[54] Katoh, K.; Kajiwara, T.; Nakano, M.; Nakazawa, Y.; Wernsdorfer, W.; Ishikawa, N.; Breedlove, B. K.; Yamashita, M. Chem.-Eur. J. 2011, 17, 117.
[55] Gonidec, M.; Luis, F.; Vílchez, À.; Esquena, J.; Amabilino, D. B.; Veciana, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 1623.
[56] Car, P.-E.; Perfetti, M.; Mannini, M.; Favre, A.; Caneschi, A.; Sessoli, R. Chem. Commun. 2011, 47, 3751.
[57] Rinehart, J. D.; Meihaus, K. R.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7572.
[58] Ren, M.; Pinkowicz, D.; Yoon, M.; Kim, K.; Zheng, L.-M.; Breedlove, B. K.; Yamashita, M. Inorg. Chem. 2013, 52, 8342.
[59] Ren, M.; Bao, S.-S.; Ferreira, R. A. S.; Zheng, L.-M.; Carlos, L. D. Chem. Commun. 2014, 50, 7621.
[60] Meihaus, K. R.; Rinehart, J. D.; Long, J. R. Inorg. Chem. 2011, 50, 8484.
[61] Cooke, A. H.; Edmonds, D. T.; Finn, C. B. P.; Wolfe, W. P. Proceedings of the Royal Society of London Series A-Mathematical and Physical Sciences, 1968, 306, 335.
[62] Cucinotta, G.; Perfetti, M.; Luzon, J.; Etienne, M.; Car, P.-E.; Caneschi, A.; Calvez, G.; Bernot, K.; Sessoli, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 1606.
[63] Murugesu, M. Nat. Chem. 2012, 4, 347.
[64] Ishikawa, N.; Sugita, M.; Tanaka, N.; Ishikawa, T.; Koshihara, S.-y.; Kaizu, Y. Inorg. Chem. 2004, 43, 5498.
[65] Takamatsu, S.; Ishikawa, T.; Koshihara, S.-Y.; Ishikawa, N. Inorg. Chem. 2007, 46, 7250.
[66] Ganivet, C. R.; Ballesteros, B.; delaTorre, G.; Clemente-Juan, J. M.; Coronado, E.; Torres, T. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 1457.
[67] Jiang, S.-D.; Wang, B.-W.; Su, G.; Wang, Z.-M.; Gao, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 7448.
[68] Chen, G.-J.; Guo, Y.-N.; Tian, J.-L.; Tang, J.; Gu, W.; Liu, X.; Yan, S.-P.; Cheng, P.; Liao, D.-Z. Chem.-Eur. J. 2012, 18, 2484.
[69] Long, J.; Habib, F.; Lin, P.-H.; Korobkov, I.; Enright, G.; Ungur, L.; Wernsdorfer, W.; Chibotaru, L. F.; Murugesu, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5319.
[70] Habib, F.; Brunet, G.; Vieru, V.; Korobkov, I.; Chibotaru, L. F.; Murugesu, M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13242.
[71] Zeng, D.; Ren, M.; Bao, S.-S.; Feng, J.-S.; Li, L.; Zheng, L.-M. Chem. Commun. 2015, 51, 2649.
[72] Branzoli, F.; Carretta, P.; Filibian, M.; Zoppellaro, G.; Graf, M. J.; Galan-Mascaros, J. R.; Fuhr, O.; Brink, S.; Ruben, M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4387.
[73] Zeng, D.; Ren, M.; Bao, S.-S.; Zheng, L.-M. Inorg. Chem. 2014, 53, 795.
[74] Meihaus, K. R.; Corbey, J. F.; Fang, M.; Ziller, J. W.; Long, J. R.; Evans, W. J. Inorg. Chem. 2014, 53, 3099.
[75] Liu, J.; Zhang, X.-P.; Wu, T.; Ma, B.-B.; Wang, T.-W.; Li, C.-H.; Li, Y.-Z.; You, X.-Z. Inorg. Chem. 2012, 51, 8649.
[76] Ren, M.; Bao, S.-S.; Hoshino, N.; Akutagawa, T.; Wang, B.; Ding, Y.-C.; Wei, S.; Zheng, L.-M. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 9619.
[77] Suzuki, K.; Sato, R.; Mizuno, N. Chem. Sci. 2013, 4, 596.
[78] Sato, R.; Suzuki, K.; Sugawa, M.; Mizuno, N. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 12982.
[79] Song, Y.-M.; Luo, F.; Luo, M.-B.; Liao, Z.-W.; Sun, G.-M.; Tian, X.-Z.; Zhu, Y.; Yuan, Z.-J.; Liu, S.-J.; Xu, W.-Y.; Feng, X.-F. Chem. Commun. 2012, 48, 1006.
[80] Pinkowicz, D.; Ren, M.; Zheng, L.-M.; Sato, S.; Hasegawa, M.; Morimoto, M.; Irie, M.; Breedlove, B. K.; Cosquer, G.; Katoh, K.; Yamashita, M. Chem.-Eur. J. 2014, 20, 12502.
[81] Zhang, R. H. Rare-Earth Elements Chemistry, Tianjin Science and Technology Press, Tianjin, 1987. (张若桦, 稀土元素化学, 天津科学技术出版社, 天津, 1987.)
[82] Guo, P.-H.; Meng, Y.; Chen, Y.-C.; Li, Q.-W.; Wang, B.-Y.; Leng, J.-D.; Bao, D.-H.; Jia, J.-H.; Tong, M.-L. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 8858.
[83] Long, J.; Vallat, R.; Ferreira, R. A. S.; Carlos, L. D.; Almeida Paz, F. A.; Guari, Y.; Larionova, J. Chem. Commun. 2012, 48, 9974.
[84] Jain, K. R.; Herrmann, W. A.; Kühn, F. E. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 556.
[85] Train, C.; Gheorghe, R.; Krstic, V.; Chamoreau, L.-M.; Ovanesyan, N. S.; Rikken, G. L. J. A.; Gruselle, M.; Verdaguer, M. Nat. Mater. 2008, 7, 729.
[86] Zhang, W.; Xiong, R.-G. Chem. Rev. 2012, 112, 1163.
[87] Wang, Y.-X.; Shi, W.; Li, H.; Song, Y.; Fang, L.; Lan, Y.; Powell, A. K.; Wernsdorfer, W.; Ungur, L.; Chibotaru, L. F.; Shen, M.; Cheng, P. Chem. Sci. 2012, 3, 3366.
[88] Long, J.; Rouquette, J.; Thibaud, J.-M.; Ferreira, R. A. S.; Carlos, L. D.; Donnadieu, B.; Vieru, V.; Chibotaru, L. F.; Konczewicz, L.; Haines, J.; Guari, Y.; Larionova, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 2236.
[89] Wang, K.; Zeng, S.; Wang, H.; Dou, J.; Jiang, J. Inorg. Chem. Front. 2014, 1, 167.
[90] Li, H.; Eddaoudi, M.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Nature 1999, 402, 276.
[91] Tranchemontagne, D. J.; Mendoza-Cortes, J. L.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1257.
[92] Dhakshinamoorthy, A.; Garcia, H. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 5262.
[93] Baldoví, J. J.; Coronado, E.; Gaita-Ariño, A.; Gamer, C.; Giménez-Marqués, M.; MínguezEspallargas, G. Chem.-Eur. J. 2014, 20, 10695.
[94] Mohapatra, S.; Rajeswaran, B.; Chakraborty, A.; Sundaresan, A.; Maji, T. K. Chem. Mater. 2013, 25, 1673.

稀土单分子磁体 2016 Awarded