近日，中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室吴长征教授课题组在国际期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）发表了题为“Interｌayer-Confined Molecular Assembly Enables a Family of Two-Dimensional Room-Temperature Ferromagnets” 的研究论文。该研究提出了一种层间限域分子组装策略，成功构建出一类具有室温（>300 K）稳定铁磁序的二维分子材料体系，为低维磁性材料及分子自旋电子学的发展提供了新的设计思路。

本研究中，基于金刚石 NV 色心的量子钻石显微镜（Quantum Diamond Microscope, QDM）在材料磁性表征中发挥关键作用，实现了材料磁性的微米级分辨成像，标志着量子传感技术在分子磁性材料表征中取得关键突破。

二维分子铁磁体：从构筑到验证

二维铁磁材料因其在自旋电子学、信息存储及量子器件中的潜在应用而备受关注。然而，实现高居里温度（室温以上）、稳定长程磁有序、分子体系中的可调控磁性，一直是该领域的核心挑战。

该研究通过将磁性二茂钴分子（Co(Cp)₂）插层引入金属态过渡金属二硫族化物（如TaS₂）层间，实现：

分子取向的精确调控

有效的界面耦合增强

由界面巡游电子介导的铁磁交换

最终获得超过300 K的二维铁磁有序

QDM实现磁畴的直接可视化

传统磁性测量手段（如振动样品磁强计VSM）虽然能够探测宏观磁化信号，但面对分子插层这类新型材料体系，宏观信号可能受到杂质、边缘效应或测量几何因素的干扰，难以给出铁磁性起源的确定性结论。而磁畴成像——直接"看见"磁有序的空间分布——才是证明长程铁磁耦合存在的最直接证据。

在磁性验证方面，研究团队结合多种手段（如M–T、M–H曲线等）确认材料具有铁磁行为。同时，利用QDM进一步实现了关键突破：对二维材料磁畴结构的直接成像

·通过NV色心自旋共振频移获取局域磁场信息

·在室温条件下实现二维磁场分布成像

·清晰观察到正负交替的磁畴结构

该结果提供了铁磁有序存在的直接证据，增强了研究结论的可靠性。

(a) 100 Oe，零场冷却与场冷却过程的面内、面外磁化强度 - 温度曲线；

(b) 300 K的各向异性磁化强度 - 磁场曲线；

(c) 300 K、500 Oe条件下磁化强度随角度的变化关系；

(d) QDM原理示意图；

(e) QDM的光学显微镜图像

(f) 300 K，外加磁场约为 47 Oe，通过QDM测得的对应磁场映射图像。

推动低维磁性与自旋电子学研究

这项工作旨在解决分子基材料难以实现室温铁磁性的科学难点，通过层间vdW空间的亚纳米限域效应精确控制分子排列与自旋取向，利用有机-无机界面耦合实现了巡游电子介导的铁磁交换。量子钻石显微镜的引入，不仅为本研究提供了决定性的实验证据，更展示了量子传感技术在低维磁性材料表征中的巨大潜力——未来，结合扫描NV显微镜（SNVM）等技术，有望实现更高空间分辨率的磁畴动态观测，甚至单分子尺度的磁性探测，为分子自旋电子学器件的研发提供前所未有的表征手段。

量子钻石显微镜的技术优势

相较于传统磁学表征手段，量子钻石显微镜具备独特优势：

·室温下实现高灵敏磁场探测

·提供磁场二维空间分布信息

·可直接区分不同磁畴区域

·实现定量磁场反演

使磁性从“间接信号”转变为“可视化图像”

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