电容器是储存电量和电能（电势能）的元件，几乎用于所有的电子设备中。提高电容器容量的常规方法适用于大型电容器的制作，但对于当前越来越微型化的器件则几乎不可能，所以目前电子行业迫切需要开发单位尺寸内具有高容量的超级电容器。磁性电容是一种潜在可能替换现有电容器的候选者，即在电容器上附加一个磁体可增加电容的容量或改善器件存储电能的能力。然而，目前的磁电容器要么通过分别独立的磁体和电容器进行组装，要么通过物理混合制备成复合物，具有本征磁电容性质的材料目前尚未见报道。
分子化合物因其具有易合成、结构可控等优点，因此可根据需要的物理性质易对功能基团进行设计和修饰，所以在材料领域备受青睐，而分子基磁电耦合材料尤为突出。任何化合物都有介电性质，当该化合物结晶在极性点群中时，它的介电性质会得到大大改善。如果材料中引入顺磁金属离子时，那么就可以在同一材料实现磁性和介电性共存。当金属中心离子的磁各向异性很强时，轨道角动量对磁矩的贡献使化合物容易在弱磁场作用下产生磁致伸缩，从而诱导电结构发生改变引起材料的电偶极矩的变化，形成磁电耦合。因为材料的电容与其介电常数成正比（C=εA/d，其中C为电容，ε为介电常数），所以利用具有磁介电耦合的材料就可获得磁电容。
基于上述设计思路对磁电耦合材料进行探讨，我院胡兆波副教授&彭燕副教授联合南京大学宋友教授&马晶教授课题组，利用(CETAB)2[CuX4]（X = Cl (1)或Br (2)，CETAB = (2-chloroethyl)trimethylammonium）获得了首例分子基磁电容化合物。
图1.配合物1和2在293 K下的分子结构以及晶体堆积图（沿b轴向下看）。[(CH3)3N(CH2)2Cl]+离子用红色球形表示。
该类化合物因分子中，在温度的驱动下，阴阳离子有序无序转变导致其在室温附近发生一级结构相变，高低温两相中[CuX4]2−离子的配位几何构型畸变程度不同，所以产生的Jahn-Teller畸变也不同，而自旋载体CuII对磁场的响应导致两相中的介电常数发生显著变化，进而影响相中的电容性质。研究发现，两个化合物在室温前后首先发生结构相转变，在同样温区两个化合物均表现出非常显著的磁性χMT、介电ε、比热Cp和磁电容MC的变温响应。
图2.磁性、磁介电耦合和磁电容现象
结构决定性质，在该工作中，作者利用非常复杂且特殊收取单晶数据的方法获得了明确的高低温相单晶结构，证实了该相变来源于阴阳离子在高温下的有序无序转变，为解释观察到的物理现象提供了依据。类似前面提到的那样，Jahn-Teller效应诱导了高低温两相中的不同结构畸变，使得自旋载体同时作为电偶极矩的来源，所以产生磁电耦合，进而形成磁电容。文章利用磁致伸缩和量子计算两种方法对化合物的物理性质进行了详细的分析，对如何设计合成这类材料提出了合理的构想，特别是作者详细阐述了利用零维化合物获得磁电耦合和磁电容的优势。这无疑为分子材料中构建具有磁电容效应的化合物提供了可靠的思路。
该论文以“Room-temperature Magnetocapacitance Spanning 97 K Hysteresis in Molecular Material”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上，江西理工大学为第一完成单位。江西理工大学2022级硕士研究生桂领澳和南京大学博士研究生陈家伟为本文共同第一作者，化学化工学院胡兆波副教授、彭燕副教授和南京大学马晶教授、宋友教授为本文的共同通讯作者。
论文信息：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.
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202416380
文、图/桂领澳、胡兆波
审核/刘遂军、夏李斌
编辑/陈琰
