通过卤素取代调控二维过渡金属酞菁的磁热效应

《npj Computational Materials》：Tailoring magnetocaloric effects in 2D transition-metal phthalocyanines via halogen substitution

　　

摘要

磁热效应（MCE）为量子技术和能源技术提供了紧凑且低温度的制冷方式，但其实际应用需要性能优异、价格合理且可合成的材料。通过第一性原理计算和原子级自旋模拟研究发现，卤素替代是一种有效的调控方法，可以用于调节二维过渡金属酞菁框架（M-XPc；其中M表示Cr或Mn，X表示F、Cl、Br或I）。卤素原子会引起晶格膨胀和电荷重新分布，从而驱动反铁磁向铁磁的转变，并改变磁各向异性。这种化学调控能够在同一类不含稀土元素的材料中实现逆向磁热效应（rotating MCE）和常规磁热效应。Cr-BrPc在5特斯拉磁场变化下表现出较大的逆向磁热效应，最大磁熵变化为-9.04 μJ·m?2·K?1（-6.21 J·kg?1·K?1），同时其旋转熵变化为8.73 μJ·m?2·K?1（5.91 J·kg?1·K?1）。Mn-IPc在氢液化温度范围内表现出较强的常规磁热效应，最大磁熵变化为5.47 μJ·m?2·K?1（2.88 J·kg?1·K?1），绝热温度变化为4.65 K。这些结果表明，卤化后的MPc框架成为无需稀土元素的、可调制的低温磁制冷候选材料。