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Increasing the Symmetry around Lanthanide Ions: The Effect on Single-Ion Magnet Behavior and Electronic Structure

镧系元素 化学 结晶学 离子 镧系收缩 拉曼光谱 磁化 离子半径 磁场 量子力学 光学 物理 有机化学
作者
Jarrod R. Thomas,Marcus J. Giansiracusa,Richard A. Mole,Scott A. Sulway
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:24 (1): 573-583
标识
DOI:10.1021/acs.cgd.3c01380
摘要

Bis-capped lanthanide compounds have dominated the single-ion magnet (SIM) field with little variation in design. Herein, we report the new synthesis of the lanthanide compounds [Ln(Tp2-py)2](BPh4) (1-Ln; Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, and Dy), which employ the use of the hexadentate hydrotris[3-(2′-pyridyl)-pyrazol-1-yl]borate (Tp2-py) ligand to encapsulate lanthanide ions in pseudo-icosahedral crystal fields. The extension of the latter lanthanide ions yields the hydrated compounds [Ln(κ4-Tp2-py)2(OH2)](BPh4) (2-Ln; Ln = Dy, Y, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu) instead due to the decrease in the ionic radii of the lanthanide and steric demand of the ligand. Alternating current magnetometry studies on 1-Ce, 1-Tb, 1-Dy, 2-Dy, and [Dy(Tp2-py)2Cl] (3) revealed slow magnetic relaxation in applied magnetic fields for all compounds, with 1-Tb revealing an extractable Orbach regime with Ueff = 46(2) cm–1, while the remaining compounds are dominated by Raman relaxation mechanisms. The complexity and size of Tp2-py likely afford many low energy vibrational modes which would be responsible for an increase in spin-phonon coupling and the observed dominance of Raman relaxation. CASSCF calculations on the compounds showed that the ground state purity is heavily dependent on the lanthanide; however, all easy axes are aligned with the B···B axis (or pseudo B···B axis for the case of 3) except for 2-Dy, where the easy axis aligns with the Dy–OH2 bond. The resonant nature of the tris-(pyrazolyl)borate ligands results in diffusely spread charge distribution, minimizing the influence of the axially located boron atoms, resulting in the lanthanide ion being encapsulated in a “pseudosphere” of negative charge, impacting the overall crystal field splitting. The magnetic behavior and electronic structure of 1-Ln highlight the importance of low energy vibrational modes to mitigate spin-phonon coupling, charge distribution, and geometry of ligands when designing lanthanide-based SIMs.
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