近日，华南理工大学马於光院士/蒋庆林研究员团队的AMR述评文章 “Aggregation-Controlled Spin Coupling in Rylene Diimide-Based Ferromagnetic Semiconductors”在线发表。文章总结了团队围绕稠环酰亚胺有机铁磁半导体开展的系列研究进展，为有机铁磁半导体的理性设计及其在自旋电子学中的应用提供了新的思路。

关键词：有机铁磁半导体；π自由基；聚集结构；自旋耦合；拓扑化学策略

原文提要：“Rather than simply requiring close π-stacking, ferromagnetic rylene diimide radicals require a more specific balance: sufficient orbital interaction to maintain strong spin coupling but a twisted-and-slipped geometry that prevents excessive SOMO-SOMO overlap from stabilizing the antiferromagnetic state.”

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文章内容简介

铁磁半导体兼具磁性和半导体特征，是发展新型自旋电子器件的重要材料体系。然而，对于纯有机铁磁半导体而言，长期以来仍面临居里温度较低、饱和磁化强度不足以及电荷输运能力有限等挑战。其中，分子聚集结构与分子间自旋耦合之间的内在关联机制仍有待深入理解。

围绕这一问题，本团队以稠环酰亚胺自由基半导体为研究对象，从一次意外发现的室温铁磁现象出发，逐步深化了对有机π电子铁磁起源的认识，并阐明了分子扭转-滑移结构与自旋耦合之间的内在联系，进一步通过拓扑化学策略实现自由基生成与分子有序组装之间的协同调控，获得了兼具室温铁磁性和半导体特性的有机铁磁半导体薄膜。相关工作构建了从分子结构调控、聚集态行为解析到自旋功能实现和材料加工的多尺度研究体系，为推动有机铁磁材料由经验探索向基于结构设计的可控构筑发展提供了新的思路。

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AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们最初并非有意进入有机铁磁半导体领域。在研究苝二酰亚胺自由基阴离子半导体的电荷输运过程中，我们意外观察到了室温磁滞行为，这一结果引发了我们对其磁性起源的持续追问。随后，我们逐渐将研究重点从“是否存在室温铁磁性”推进到“有机体系中的铁磁性为何产生，以及聚集结构如何调控分子间自旋耦合”。正是这种从意外现象出发、不断追溯其内在机制，并尝试将机制认识用于材料设计的过程，推动团队持续围绕有机铁磁半导体方向开展系统研究。

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AMR：您对这个领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们希望有机铁磁半导体能够从目前的“现象发现和概念验证”，进一步走向机制清晰、结构可设计、性能可调控和器件可实现。一方面，需要进一步建立聚集结构、掺杂状态与磁交换作用之间更系统的定量关系，使材料设计从经验探索逐步转向可预测、可指导的理性设计；另一方面，也希望通过分子工程、聚集态调控和后处理策略，不断拓宽材料的加工窗口，提高磁性、输运性能和环境稳定性的协同性。更长远来看，我们期待有机铁磁半导体未来能够实现器件化应用，在全有机自旋阀、低功耗信息处理和量子传感等方向展现其独特优势，推动有机自旋电子学从基础研究走向实际应用。

作者团队简介

马於光，中国科学院院士，亚太材料科学院院士，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室主任。长期从事有机高分子光电磁材料基础科学问题、新机制及新结构的研究，发展具有自主知识产权的新型高性能材料，探索提高器件综合性能的新策略，取得一系列重要研究成果。国际上首次报道利用磷光材料提高电致发光器件效率的新原理，提出“热激子”机理和杂化电荷转移态（HLCT）材料结构设计新原则。曾获国家自然科学二等奖1项，教育部优秀成果一等奖2项，为有机高分子光电磁材料与器件领域发展做出了原创性贡献。

蒋庆林，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室研究员。从事有机磁性半导体方面的研究，主持国家自然科学基金重大研究计划集成项目（课题负责人）、国家面上、青年基金、广东省基础与应用基础研究重大项目（基石）、粤港澳大湾区量子科学中心专项项目（课题负责人）等项目，获授权美国专利1项，省自然科学二等奖1项。发现了首个室温有机磁性半导体，为回答 Science 创刊125周年公布的125个最具挑战科学问题之一——“能否制造出室温下的磁性半导体？”提供了重要科学探索，该成果入选中国材料研究学会《中国新材料研究前沿报告2025》。

甘汉麟，2021年获得华南师范大学博士学位。现为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室博士后，研究方向主要为基于π自由基的光电与磁性材料的理论与计算研究。

朱亚诺，目前在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室攻读博士学位，师从马於光教授，研究方向主要为有机铁磁半导体材料与器件。

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Construction of Bulk Inorganic Ionic Materials by Nonclassical Reactive Precursors

Chen Luo; Yinan Fu; Yueqi Zhao * ; Zhaoming Liu *

原文链接：

https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00376

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