EM
Eric McInnes
Author with expertise in Molecular Magnetism and Spintronics
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
19
(68% Open Access)
Cited by:
4,863
h-index:
72
/
i10-index:
275
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Magnetic relaxation pathways in lanthanide single-molecule magnets

R.J. Blagg et al.Jul 12, 2013
Single-molecule magnets are compounds that exhibit magnetic bistability caused by an energy barrier for the reversal of magnetization (relaxation). Lanthanide compounds are proving promising as single-molecule magnets: recent studies show that terbium phthalocyanine complexes possess large energy barriers, and dysprosium and terbium complexes bridged by an N23− radical ligand exhibit magnetic hysteresis up to 13 K. Magnetic relaxation is typically controlled by single-ion factors rather than magnetic exchange (whether one or more 4f ions are present) and proceeds through thermal relaxation of the lowest excited states. Here we report polylanthanide alkoxide cage complexes, and their doped diamagnetic yttrium analogues, in which competing relaxation pathways are observed and relaxation through the first excited state can be quenched. This leads to energy barriers for relaxation of magnetization that exceed 800 K. We investigated the factors at the lanthanide sites that govern this behaviour. Dysprosium alkoxides and dysprosium-doped yttrium alkoxides show very large energy barriers, greater than 800 K, to magnetic relaxation. These barriers arise from the presence of a strongly axial pseudo-octahedral crystal field, which switches off relaxation through the first excited state that typically occurs in single-molecule magnets, and favours a competitive pathway through higher-energy states.
0
Citation666
0
Save
0

An electrostatic model for the determination of magnetic anisotropy in dysprosium complexes

Nicholas Chilton et al.Oct 7, 2013
Understanding the anisotropic electronic structure of lanthanide complexes is important in areas as diverse as magnetic resonance imaging, luminescent cell labelling and quantum computing. Here we present an intuitive strategy based on a simple electrostatic method, capable of predicting the magnetic anisotropy of dysprosium(III) complexes, even in low symmetry. The strategy relies only on knowing the X-ray structure of the complex and the well-established observation that, in the absence of high symmetry, the ground state of dysprosium(III) is a doublet quantized along the anisotropy axis with an angular momentum quantum number mJ=±15/2. The magnetic anisotropy axis of 14 low-symmetry monometallic dysprosium(III) complexes computed via high-level ab initio calculations are very well reproduced by our electrostatic model. Furthermore, we show that the magnetic anisotropy is equally well predicted in a selection of low-symmetry polymetallic complexes. Understanding the anisotropic electronic structure of lanthanide complexes is useful for a range of advanced applications. Here, the authors present a simple electrostatic method, capable of predicting the magnetic anisotropy of low-symmetry mononuclear and polynuclear dysprosium(III) complexes.
0
Citation534
0
Save
0

Single Pyramid Magnets: Dy5 Pyramids with Slow Magnetic Relaxation to 40 K

R.J. Blagg et al.Jun 7, 2011
Angewandte Chemie International EditionVolume 50, Issue 29 p. 6530-6533 Communication Single Pyramid Magnets: Dy5 Pyramids with Slow Magnetic Relaxation to 40 K† Dr. Robin J. Blagg, Dr. Robin J. Blagg School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorDr. Christopher A. Muryn, Dr. Christopher A. Muryn School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorProf. Eric J. L. McInnes, Corresponding Author Prof. Eric J. L. McInnes [email protected] School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorDr. Floriana Tuna, Dr. Floriana Tuna School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorProf. Richard E. P. Winpenny, Corresponding Author Prof. Richard E. P. Winpenny School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this author Dr. Robin J. Blagg, Dr. Robin J. Blagg School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorDr. Christopher A. Muryn, Dr. Christopher A. Muryn School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorProf. Eric J. L. McInnes, Corresponding Author Prof. Eric J. L. McInnes [email protected] School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorDr. Floriana Tuna, Dr. Floriana Tuna School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this authorProf. Richard E. P. Winpenny, Corresponding Author Prof. Richard E. P. Winpenny School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598School of Chemistry and Photon Science Institute, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL (U.K.), Fax: (+44) 161-275-4598Search for more papers by this author First published: 07 June 2011 https://doi.org/10.1002/anie.201101932Citations: 450 † We thank the EPSRC for funding and access to the Chemical Database Service at Daresbury. Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Graphical Abstract Single-molecule magnets: A square-pyramidal pentametallic dysprosium cluster (see picture) was synthesized and showed slow magnetic relaxation at temperatures as high as 40 K. The thermal energy barrier to relaxation of magnetization of this single-molecule magnet is 530 K and is the largest yet observed for any d- or f-block cluster compound. Citing Literature Supporting Information Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Filename Description anie_201101932_sm_miscellaneous_information.pdf201.1 KB miscellaneous_information Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. Volume50, Issue29July 11, 2011Pages 6530-6533 RelatedInformation
0

A Dense Metal–Organic Framework for Enhanced Magnetic Refrigeration

Giulia Lorusso et al.Jul 1, 2013
The three-dimensional metal–organic framework Gd(HCOO)3 is characterized by a relatively compact crystal lattice of weakly interacting Gd3+ spin centers interconnected via lightweight formate ligands, overall providing a remarkably large magnetic:non-magnetic elemental weight ratio. The resulting magnetocaloric effect per unit volume is decidedly superior in Gd(HCOO)3 than in the best known magnetic refrigerant materials for liquid-helium temperatures and low-moderate applied fields. Recent years have witnessed a terrific increase in the number of molecule-based materials proposed as magnetic refrigerants for liquid-helium temperatures.1-15 Refrigeration proceeds adiabatically via the magnetocaloric effect (MCE), which describes the changes of magnetic entropy (ΔSm) and adiabatic temperature (ΔTad), following a change in the applied magnetic field (ΔB). As in the first paramagnetic salt that permitted sub-Kelvin temperatures to be reached in 1933,16 gadolinium is often present because its orbital angular momentum is zero and it has the largest entropy per single ion.1 The controlled spatial assembly of the Gd3+ spin centers is vital for designing the ideal magnetic refrigerant. On the one hand, the magnetic density should be maximized by, for example, limiting the amount of non-magnetic elements which act passively in the physical process. On the other hand, magnetic ordering for B = 0 should be avoided, since this results in the decrease of MCE above the target working temperature of the refrigerant. Therefore a compromise becomes necessary, especially for reaching low temperatures. Metal–organic framework (MOF) materials have recently attracted interest for their cooling properties, combined with their synthetic variety and intrinsic robustness.11-15 Indeed, the dimensionality of Gd-MOFs has no effect in itself on the MCE, bar its intrinsic density. Light and short bridging ligands, such as the formate ion, are clearly advantageous in this regard. We therefore focus here on gadolinium formate, Gd(HCOO)3, a dense MOF material, characterized by a relatively high packing density of Gd3+ ions, linked only through lightweight formate ligands, whose structure was originally determined on powder specimens.17, 18 Surprisingly, no previous magnetic measurements on Gd(HCOO)3 are reported in the literature, except for initial Mössbauer experiments.19 The single-crystal structure determination of Gd(HCOO)3 is reported here, completing the original powder diffraction study. Our detailed magnetic and thermal studies allow direct and indirect estimation of its MCE and show that, while presenting a sub-Kelvin ordering temperature, Gd(HCOO)3 indeed possesses a huge MCE, positioning this material in an enviable position within this research area. Single crystals of Gd(HCOO)3 were grown by allowing a solution of Gd(NO3)3·5H2O (0.5 g, 1 mmol), formic acid (15 mL), and H2O (10 mL) to evaporate slowly over several days. The product was collected as a crystalline solid and dried under vacuum (> 90% yield) and analyzed satisfactorily (Anal. calcd for GdC3H3O6: Gd 53.80, C 12.33, H 1.03; found: Gd 53.57, C 12.32, H 1.07). The large colorless blocks allowed re-determination of the crystal structure from single-crystal diffraction, and in particular confirmed the crystal system to be hexagonal and in the space group R3m, with a = 10.4583(4) Å and c = 3.9869(3) Å. The structure of Gd(HCOO)3 describes chains of Gd3+ ions propagating along the c axis, each bridged to its neighbors through three μ-formate O-atoms (see Figure 1a). These chains are connected in the bc plane through the formate ions bridging in μ-O,O' anti –anti mode, resulting in the dense hexagonal framework (calculated density is 3.856 g cm−3) shown in Figure 1b. The Gd3+ ion is nine-coordinate in an almost perfect tricapped trigonal prismatic environment, with Gd–O distances of 2.496(4) and 2.527(4) Å for the prismatic oxygen O1 and 2.403(4) Å for the capping oxygen O2. The nearest and next-nearest neighbor Gd···Gd separations are 3.9869(3) Å within the chains, coinciding with the cell parameter c, and 6.183(1) and 6.597(1) Å between chains, respectively. Views of the structure of Gd(HCOO)3 parallel (a) and perpendicular (b) to the c axis. Color code: Gd, light gray, O, dark gray, C, black. H atoms are omitted for clarity. The nine-coordinate tricapped trigonal prism coordination sphere of Gd3+ ions is highlighted. The molar magnetization (M) was collected for temperatures between 2 and 10 K (Figure S1, Supporting Information). The magnetization saturates to the expected value of 7 μB for a Gd3+ spin moment, according to which s = 7/2 and g = 2. The M(B) curves can be described well by a Brillouin function – see the dashed line in Figure S1 for an ideal paramagnet at T = 2 K. Deviations of the experimental data from the paramagnetic behavior are barely noticeable, and only for the lowest temperatures, and can be ascribed to the presence of a weak antiferromagnetic interaction. This is corroborated by the temperature dependence of the magnetic susceptibility (χ). As shown by the solid line in the inset of Figure S1, the susceptibility data can be fitted above 2 K to a Curie–Weiss law χ = g2 μB2s(s + 1)/[3kB (T − θ)], obtaining a negative, although small, θ = −0.3 K, which suggests that the Gd3+ moments are weakly antiferromagnetically correlated in the paramagnetic phase. Top: temperature dependence of the heat capacity, C, collected for selected B values, as labeled. Solid thick lines are the calculated Schottky contributions for the corresponding B = 1, 3, and 7 T, and the dashed line is the fitted lattice contribution. Bottom: temperature dependence of the experimental magnetic entropy, Sm, for several B, as obtained from the magnetic contribution to the total heat capacity, Cm. Highlighted are examples of magnetic entropy change, ΔSm, (for A ↔ D) and adiabatic temperature changes, ΔTad, (for A ↔ C and B ↔ D). Next, we indirectly evaluate the MCE of Gd(HCOO)3 from the experimental data presented so far. From the bottom panel of Figure 2, we obtain the magnetic entropy changes ΔSm(T,ΔB) for different applied field changes ΔB = Bf − Bi. The so-obtained results are depicted in Figure 3. A similar set of data can also be derived from an isothermal process of magnetization by employing the Maxwell relation, i.e., ΔSm(T, ΔB) = [∂M(T, B)/∂T]B dB. From the experimental M(T,B) data in Figure S1, we then obtain curves that rather beautifully agree with the corresponding results previously derived from the heat capacity – see the top panel of Figure 3. Furthermore, to a cooling process under adiabatic conditions, one naturally associates a temperature change whose estimate is made feasible by knowing C and thus Sm. The bottom panel of Figure 3 shows ΔTad(T,ΔB), where T denotes the final temperature of the adiabatic cooling, e.g., going from C(T = 3.4 K, B = 1 T) to A(T = 0.95 K, B = 0) in Figure 2. A far more elegant and reliable method for determining the MCE is by directly measuring ΔTad(T,ΔB) under quasi-adiabatic conditions.22 Following the procedure described in the Supporting Information, we have performed measurements for the experimental conditions corresponding to the magnetization (A → C) and demagnetization (D → B) processes highlighted in Figure 2. Starting from Ti = 0.98 K, the result, depicted in Figure S2, Supporting Information, yields Ti → T → 3.45 K for 0 → B → 1 T and Ti → T → 0.47 K for 1 T → B → 0, thus corresponding to ΔTad = 2.47 and 0.51 K for magnetization and demagnetization, respectively, in good agreement with what is obtained from the entropy data (see Figure 2). Top: temperature dependence of the magnetic entropy change, ΔSm, as obtained from magnetization and heat capacity data (see Figures S1 and 2, respectively) for the indicated applied-field changes ΔB. Vertical axis reports units in J kg−1 K−1 (left) and volumetric mJ cm−3 K−1 (right). Bottom: temperature dependence of the adiabatic temperature change, ΔTad, as obtained from heat capacity data for the indicated ΔB. The MCE of Gd(HCOO)3 is exceptionally large, especially in comparison with other molecule-based magnetic refrigerants, as summarized in Table 1 for three representative examples from the recent literature. All of them are characterized by a pronounced maximum of the MCE at T max ≈ 1 K for ΔB = 2 T, as for Gd(HCOO)3. The choice of ΔB = 2 T is dictated by the fact that, for widespread applications, the interest is chiefly restricted to applied fields which can be produced with permanent magnets. In Table 1, the maximum entropy changes −ΔSmmax are reported per unit volume. Although these units are not often used, they are better suited for assessing the implementation of the refrigerant material in a designed apparatus.23 On this point, one could correctly argue that the MCE of molecule-based refrigerant materials is disfavored by their typically low mass density, ρ. However, Gd3+ centers in Gd(HCOO)3 are interconnected only by short and extremely lightweight HCOO− ligands, resulting in a relatively large ρ of 3.86 g cm−3. Ultimately, this enhances the MCE, favored by a larger weight of magnetic elements with respect to non-magnetic ones, which act passively. To the best of our knowledge, no other molecule-based refrigerant material has a MCE as large as in Gd(HCOO)3: −ΔSmmax ≈ 168.5 and 215.7 mJ cm−3 K−1 for ΔB = (2 − 0) T and (7 − 0) T, respectively, as shown in Figure 3. This comparison would not be complete without assessing the efficiency of refrigeration for every selected material. This is accomplished by estimating the relative cooling power (RCP),23 defined as the product of −ΔSmmax and the full width at half maximum (FWHM) of the corresponding −ΔSm(T) curve, i.e., δTFWHM. Among the other molecule-based refrigerants in Table 1, Gd(HCOO)3 shows the largest relative cooling power with an RCP of 522.4 mJ cm−3. Lastly, we extend this comparison to also include gadolinium gallium garnet (GGG), which is the reference magnetic refrigerant material for the 1 K < T < 5 K range.24, 25 Indeed, its functionality is commercially exploited, also owing to its large ρ of 7.08 g cm−3, which contributes to provide record values for −ΔSmmax of 145 mJ cm−3 K−1 and an RCP of 478.5 mJ cm−3 for the same applied field change of 2 T. As can be seen in Table 1, these values are close to, but still lower than, the reported ones for Gd(HCOO)3. In conclusion, we experimentally determine the MCE of the Gd(HCOO)3 MOF material. Under quasi-adiabatic conditions, sub-Kelvin direct measurements of the temperature change corroborate the results inferred from indirect methods. The comparison of gadolinium formate with other excellent magnetic refrigerants for liquid-helium temperatures, such as the benchmark GGG, reveals that Gd(HCOO)3 has an unprecedentedly large MCE. Our observations are interpreted as the result of a light and compact structural framework promoting very weak magnetic correlations between the Gd3+ spin centers. Finally, we foresee that synthetic and technological strategies, already developed for the surface deposition of MOF materials, could ultimately facilitate the integration and exploitation of Gd(HCOO)3 within molecule-based microdevices for on-chip local refrigeration.26 Single-Crystal Structure Determination: Data were obtained from a colorless block on an Agilent Technologies SuperNova diffractometer with a Mo microsource (λ = 0.71073 Å). Cell refinement, data reduction, and absorption corrections were performed with Crysalis Pro.27 Coordinates from the yttrium structure (code LOSKUA)28 were used as an initial solution, and refinement on F2 was done with SHELXTL.29 Crystallographic and refinement parameters are summarized in Table S1, Supporting Information, while full data (excluding structure factors) have been deposited with the Cambridge Crystallographic Data Centre as supplementary publication No. CCDC-914467. Magneto-Thermal Characterization: Magnetization measurements down to 2 K and heat capacity measurements using the relaxation method down to ≈ 0.35 K were carried out on powder samples by means of commercial setups (QDMPMS- XL and QD-PPMS, respecively) for 0 < B < 5 T and 0 < B < 7 T, respectively. Direct measurements of the MCE were performed on a powder sample using a sapphire plate to which a Cernox (CX-1010) resistance thermometer was attached, installed in the same setup employed for heat capacity. Supporting Information is available from the Wiley Online Library or from the author. The authors thank E. Moreno Pineda and Prof. J. Schnack. This work has been supported by the Spanish MINECO through grant MAT2012-38318-C03, an EU Marie Curie IEF (PIEF-GA-2011-299356 to G. L.), and the EPSRC UK (to J. W. S.). As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.
0

A High Anisotropy Barrier in a Sulfur‐Bridged Organodysprosium Single‐Molecule Magnet

Floriana Tuna et al.Jun 8, 2012
The sulfur-bridged dimers [{Cp′2Ln(μ-SSiPh3)}2] (Ln=Gd (1), Dy (2); Cp′=η5-C5H4Me) were synthesized by the transmetalation reactions between [Cp′3Ln] and Ph3SiSLi. Compound 2 is a single-molecule magnet with slow relaxation of magnetization up to 40 K and an anisotropy barrier of Ueff=133 cm−1. Insight into the SMM properties of 2 and closely related SMMs has been obtained using ab initio calculations. Following the discovery in the early 1990s that individual molecules can exhibit slow relaxation of magnetization and magnetic hysteresis,1 studies of single-molecule magnets (SMMs) have been dominated by large-spin, exchange-coupled cages of 3d transition metals.2 In addition to the intrinsic interest in the physics of SMMs, such compounds have been proposed for applications in molecular spintronics and in quantum computing.3 However, a major obstacle to realizing the applications of SMMs is that energy barriers to magnetization reversal, Ueff, and blocking temperatures, TB, lead to slow relaxation of magnetization only at liquid helium temperatures. In recent years, there has been a growing realization that focusing on enhancements in magnetic anisotropy rather than on ever-larger spins may be a more effective strategy for increasing Ueff and TB. Therefore, there has been a rise to prominence of the f elements in SMM studies,4 and lanthanide-containing SMMs (Ln-SMMs) in particular have enabled many exciting developments. For example, in 2003 Ishikawa et al. reported that slow relaxation of magnetization is possible in molecules that contain a single lanthanide ion, namely the terbium(III) phthalocyanine sandwich complex [TbPc2]−, with Ueff=230 cm−1.5 The family of lanthanide single-ion magnets (SIMs) continues to grow,6 and indeed the terbium(III) SIM [TbiPc2] (iPc=isopropylidenedioxyphthalocyanine), has the highest anisotropy barrier of Ueff=556 cm−1.6e Many polymetallic Ln-SMMs, the majority based on dysprosium(III), have also been reported, some of which show impressive SMM properties, such as high values of Ueff and/or TB.7 The dilanthanide SMMs [Ln2{N(SiMe3)2}4(thf)2(μ:η2:η2-N2)]− with Ln=Dy or Tb, reported by Evans, Long et al., are arguably the most notable recent examples because the LnIII ions are strongly exchange-coupled by the radical [N2]3− ligand.8 In the case of the terbium derivative, hysteresis loops in the magnetization versus field plots were observed up to 14 K. In the majority of Ln-SMMs, the LnIII ions reside in environments that consist of hard oxygen or nitrogen donor ligands. Whereas the spin configurations of LnIII ions are insensitive to their environment, their overall electronic structure may be very sensitive. We reasoned that using less-conventional ligands (in the context of SMMs) could be a route to modifying their properties. For example, using soft donors could have two effects: first, magnetic exhange between LnIII ions could be enhanced; second, very different crystals fields could be generated. Thus, as crystal field effects are the main interactions that lead to slowly relaxing magnetization in Ln-SMMs, there is merit in exploring soft ligand environments. We now report the {Dy2} SMM [{Cp′2Dy(μ-SSiPh3)}2] (2, Cp′=η5-C5H4Me), in which the Dy ions are bridged by thiolate ligands. Compound 2 is the first sulfur-bridged SMM, and the magnetization reversal barrier is the highest yet reported for a {Dy2} SMM. Ab initio calculations on 2 and related compounds provide insight into the factors that influence the magnetization reversal barrier. The sulfur-bridged dimers [{Cp′2Ln(μ-SSiPh3)}2] (Ln=Gd (1), Dy (2)) were synthesized by the ligand substitution reactions of Cp′3Ln with lithium triphenylsilylthiolate (Scheme 1). Synthesis of 1 and 2. The centrosymmetric dimers crystallize as 1⋅(toluene) and 2⋅(toluene), and are isostructural (Figure 1; Supporting Information, Figures S1,S2 and Tables S1,S2). ORTEP representation (ellipsoids set at 50 % probability) of the molecular structure of 2. For clarity, only the ipso carbons of the phenyl rings are shown, and the hydrogen atoms are omitted. Each LnIII ion in 1 and 2 is complexed by two η5-Cp′ ligands and by the sulfur atoms of two μ-SSiPh3 ligands, resulting in formal coordination numbers of eight. Alternatively, with respect to Cp ligand centroids and the sulfur atoms, the DyIII centers reside in pseudo tetrahedral geometries, with local C2 symmetry at Ln (see Table 1 for bond lengths and angles). The asymmetric η5-Cp coordination mode is reflected in the range of LnC distances, which are 2.622(7)–2.707(14) for 1 and 2.599(15)–2.693(10) Å for 2. The Ln1S1 and Ln1S1A distances of 2.7755(14) and 2.7961(15) Å in 1 and 2.7500(15) and 2.7761(16) Å in 2, combined with the Ln1-S1-Ln1A angles of 101.53(5) and 101.43(6) in 1 and 2, respectively, show that the Ln2S2 rings are rhomboidal. The LnC and LnS bond lengths and angles in 1 and 2 are typical of compounds of the type [{Cp2Ln(μ-SR)}2] with Ln=Gd or Dy.9 1 (Ln=Gd) 2 (Ln=Dy) Ln–C 2.622(7)–2.707(14) 2.599(15)–2.693(10) Ln1–S1 2.7755(14) 2.7500(15) Ln1–S1A 2.7961(15) 2.7761(16) S1-Ln1-S1A 78.47(4) 78.57(5) Ln1-S1-Ln1A 101.53(5) 101.43(6) Lanthanide chalcogenolate complexes have been extensively studied because of their applications in organic synthesis and in the catalytic ring-opening polymerization of ε-caprolactone.10 However, the dynamic magnetic properties of such compounds have not, to the best of our knowledge, been studied previously. Direct current (dc) magnetic susceptibility measurements on polycrystalline samples of 1 and 2 were carried out in the temperature range 2–300 K in an applied field of 1 kG. For 1, the value of χM T (χM is the molar magnetic susceptibility) per GdIII at 300 K is 15.5 cm3 K mol−1 (Supporting Information, Figure S3), which is in good agreement with the predicted value of χM T=15.76 cm3 K mol−1 for two non-interacting GdIII free ions (8S7/2 ground term, g=2). On cooling, the value of χM T decreases very slowly until about 30 K, and then below 30 K χM T decreases rapidly to reach a value of 6.7 cm3 K mol−1 at 2 K. The absence of first-order spin–orbit coupling in GdIII enables the exchange coupling constant, J, for 1 to be readily determined. Fitting the susceptibility data for 1 using the isotropic spin Hamiltonian H=−2 J[SGd1⋅SGd1A], where SGd1 and SGd1A denote the spins on Gd1 and Gd1A, respectively, produced an excellent fit for J=−0.105 cm−1. The same parameters also reproduced the field dependence of the isothermal magnetization of 1 measured at several temperatures between 2–9 K (Supporting Information, Figure S4). These data indicate that the GdIII ions in 1 are weakly antiferromagnetically coupled by the μ-thiolate ligands, which is consistent with other exchange-coupled gadolinium compounds, and can be rationalized in terms of the core-like nature of their valence 4f orbitals.11 In 2, the value of χM T at 300 K is 27.9 cm3 K mol−1, which agrees well with the expected value of 28.34 cm3 K mol−1 for two magnetically noninteracting DyIII ions with a 6H15/2 ground term (g=4/3; Supporting Information, Figure S5). On lowering the temperature, χM T decreases gradually until about 70 K, and then more rapidly to reach 11.2 cm3 K mol−1 at 2 K; this decrease is likely to be due to depopulation of excited mJ sublevels and/or weak antiferromagnetic exchange. At low temperatures, the isothermal M(H) data of 2 are far from reaching saturation under magnetic fields of 0–7 T, and the corresponding M(H/T) curves do not superimpose (Supporting Information, Figure S6), indicating the presence of significant magnetic anisotropy and/or low-lying excited states. The value of the magnetization at 7 T and 1.8 K is 11.4 μB (5.7 per DyIII ion), and is similar to that observed in other Dy complexes.7 Both the temperature dependence (Figure 2; Supporting Information, Figure S7) and the frequency dependence (Supporting Information, Figure S8) of the alternating current (ac) susceptibilities of 2 reveal features characteristic of an SMM. In zero dc field, the in-phase (χ′) (Supporting Information, Figure S7) and the out-of-phase (χ′′) components (Supporting Information, Figure 2) of the ac susceptibility show a frequency dependence up to about 40 K, and a single χ′′(T,ν) peak is observed below 32 K. Semicircular Cole–Cole plots of χ′′ vs. χ′ at several temperatures below 32 K were obtained (Supporting Information, Figure S9), and were fitted by a generalized Debye model using α parameters in the range α=0.01–0.15. This indicates a narrow range of magnetization relaxation times in 2. Above 20 K, the relaxation in 2 is thermally activated and the Arrhenius plot of ln τ versus 1/T, where τ is the relaxation time constant, is linear (Figure 3). Fitting the higher-temperature data to the Arrhenius law τ=τ0 exp(Ueff/kB T) produced an effective energy barrier to magnetization reversal of Ueff=(133±3.5) cm−1 (or (192±5) K) and a pre-exponential factor of τ0=2.38×10−7 s. The SMM behavior of 2 was confirmed by the observation of a narrow hysteresis in magnetization versus field measurements on polycrystalline samples at 1.8 K (Supporting Information, Figure S10). Temperature dependence of χ′′ in 2 at various frequencies in zero applied dc field and an ac field of Hac=1.55 Oe. Arrhenius plot of ln τ versus (1/T) for 2. The solid line is the best fit of the data in the thermally activated regime (T>20 K). Compound 2 is the first sulfur-bridged SMM. Organometallic compounds are an interesting alternative chemical repertoire for developing SMMs with unusual physics and high magnetization reversal barriers. Notable recent SMMs based on the dianionic cyclooctatetraene ligand (C8H8, COT) include: [Dy{η8-1,4-(Me3Si)2(COT)}2]−, which exhibits multiple relaxation modes;6a [(η5-Cp*)Er(η8-COT)];6b and neptunocene, [Np(η8-COT)2].6c The SMMs most closely related to 2 are [{Cp2Dy(μ-Cl)}n] (n=2, 3 a; n=∞, 3 b), [Cp2Dy(thf)(μ-Cl)]2 (4) and [{Cp2Dy(μ-Bta)}2] (5; Bta=benzotriazolate), which have lower magnetization reversal barriers of Ueff=26, 68, 34, and 33 cm−1, respectively.12 Further insight into the magnetization reversal in 2–5 was obtained with ab initio calculations,7b,7d,7g using MOLCAS 7.6.13a Local magnetic properties on individual Dy ions were computed by the Single_Aniso module,13b while the magnetic properties of the dimers were simulated by the Poly_Aniso routine (Supporting Information).13c Table 2 shows the energies of the lowest Kramers doublets of the individual Dy ions in 2–5. No. 2 3 a 3 b 4 5 1 0 0 0 0 0 2 113 144 134 96 103 3 283 313 296 193 171 4 368 383 356 211 210 5 386 401 392 236 226 6 426 444 434 286 248 7 457 488 457 308 295 8 624 672 588 339 389 The orientation of the main anisotropy axes of the Dy ions in 2–4 is close to perpendicular to the {Dy2X2} planes (Figure 4; Supporting Information, Figures S17, S20, S21). The very anisotropic g matrices in the ground doublets (Table 3) mean that the magnetic interaction between Dy ions will be mostly of the Ising type, and so can be described by H=−J ss [Eq. (1)], where s and s are projections of the effective spin s̃=1/2 of lowest Kramers doublets of the two Dy ions on the local anisotropy axes. The magnetic coupling parameter J is a sum of the exchange interaction (Jexch) and the magnetic dipole–dipole interaction (Jdipolar) between the Dy ions. Knowledge of the ground state g matrix on the Dy sites allows for exact calculations of Jdipolar (Table 4), so that the only unknown parameters are Jexch, which are derived by fitting the magnetic data (Supporting Information, Figures S5, S18, S22). The intramolecular dipolar interaction favors antiferromagnetic coupling between magnetic moments, which is explained by the local anisotropy axes being almost perpendicular to the Dy1⋅⋅⋅Dy2 axis (Figure 4; Supporting Information, Figures S21 for 2 and 4, respectively). While the dipolar couplings in 2 and 4 are similar, the exchange interaction in 2 is twice as large as that in 4 (Table 4). This is not unexpected, because the valence orbitals of sulfur are more diffuse than those of chloride. Orientation of the main anisotropy axes (dashed lines) of the ground Kramers doublets of the DyIII ions (large spheres) in 2. 2 3 a 3 b 4 5 gx 0.0012 0.0004 0.0009 0.0224 0.0073 gy 0.0019 0.0009 0.0015 0.0479 0.0884 gz 19.3611 19.4090 19.3590 18.9208 19.0530 2 4 Jexch −2.19475 0.08550 Jdipolar −2.22550 −1.99075 J=Jexch+Jdipolar −4.42025 −1.90525 The Ueff value of 133 cm−1 for 2 agrees well with the calculated energy of the first excited state on Dy sites (113 cm−1). The Ueff value of 33 cm−1 for thf-solvated 4, which was extracted in a similar way, does not agree well with the calculated energy of the first excited Kramers doublet (96 cm−1). Analysis of the out-of-phase ac susceptibility of 4 in an applied dc field of 1200 Oe reveals an additional maximum, which is not reached at ac frequencies of less than 1000 Hz and, furthermore, this maximum is not detected in zero applied dc field.12b An explanation may be found by considering the two relaxation mechanisms possible in Ln-SMMs: first, a thermally activated (Orbach) mechanism via the first excited state, and; second, a direct mechanism via quantum tunneling of the magnetization (QTM) and/or a Raman process. The rate of the direct process generally correlates with the strength of QTM, and measurements on 4 show that this SMM is in a QTM regime already at T≈5 K.12b A dc field applied to 4 suppresses the QTM and other processes, and on this basis the activated relaxation becomes apparent. In 2, the QTM and direct relaxation are much less prominent; QTM is not approached even at 2 K and, accordingly, the Orbach process involving the first excited state is measured in the ac susceptibility studies, hence the good match of the energy barriers determined by experiment and by computation. This interpretation is supported by the calculated values of transverse g values on the Dy ions (gx and gy in Table 3), which are one order of magnitude larger in 4 relative to 2. This implies more prominent QTM (and a larger rate of direct relaxation) in 4. The same reasoning, based on the "axiality" of the ground Kramers doublet on the Dy sites, explains why the relaxation properties of 5 are similar to those of 4, whereas the polymeric chains of 3 b behave in a similar manner to 2. Spurious blocking barriers, which we find here for 4 and 5, have been encountered in other Ln-SMMs. For instance, the Arrhenius fit of ac susceptibility for {Dy3} triangles gave a blocking barrier of 25 cm−1 in zero dc field, which increased to about 83 cm−1 in a dc field of 3 kOe.7k The only deviation from this model are the dimeric units of 3 a, which show relatively small transverse g factors on the Dy sites, yet at the same time their magnetization relaxes relatively quickly as in 4 and 5. The reasons for this inconsistency are currently unclear. These results illustrate the potential and the complexity of organolanthanide SMMs with soft ligands. Our calculations and most of our observations suggest that the symmetry at the individual Ln sites is crucial in determining the observed Ueff value. The transverse g values decide the quantum tunneling rate, and hence whether the complex will fall into an activated or a direct relaxation regime. In low-symmetry cases, with high g factors, it is probable that the direct process is observed. Dedicated to Professor Dieter Fenske on the occasion of his 70th birthday Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.
Load More