实验室马於光教授团队：通过拓扑化学还原实现高性能室温有机铁磁半导体薄膜

有机铁磁半导体兼具电荷输运与自旋调控能力，被视为新一代低功耗自旋电子器件的重要候选。但现有体系长期受制于“自由基的生成与组装相耦合”的难题：局域自由基易组装却磁耦合弱，共轭的π自由基虽有望实现室温铁磁，却常因聚集失控而难以同时获得高饱和磁化强度、室温居里温度与半导体特性。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室马於光教授团队利用拓扑化学还原策略，在预组装有序分子薄膜内原位生成自由基，获得兼具室温铁磁性与半导体特性的有机薄膜，为有机自旋电子学与分子磁性材料发展提供了新路径。

该工作以苝酰亚胺（PDI）为模型体系，先通过热蒸发沉积构筑高度有序的前驱体薄膜，再利用肼蒸气进行拓扑化学还原，实现“先构筑有序结构、后产生自由基”。这一策略将自由基形成与结构有序化解耦，最大程度保留了薄膜原有长程有序堆积，并使分子π-π堆积距离缩短至3.26 Å，从而显著增强相邻自由基之间的铁磁耦合。

磁学测试表明，所得薄膜在300 K下仍呈现清晰磁滞回线；X射线磁圆二色谱进一步证明铁磁性来源于PDI骨架上的极化π电子。材料的饱和磁化强度达到10.5 emu g-1，达到理论上限的73.4%，且居里温度超过300 K。与此同时，薄膜在室温下电导率约为1.05 S cm-1，降温过程中电阻呈指数增加，表现出典型半导体行为。

进一步地，团队将该方法推广至萘酰亚胺（NDI）体系，同样实现了室温铁磁与半导体特性的统一。理论计算表明，优化后的扭转堆积构型与紧密分子排列，是实现强铁磁耦合和高性能的关键。该研究为纯有机室温铁磁半导体的设计与制备提供了通用方法，也为柔性自旋电子器件、低功耗信息存储等方向奠定了材料基础。

图1. (a) 拓扑化学还原原理示意图  (b) 饱和磁化强度和居里温度对比图  (c) 薄膜材料态密度图

相关研究成果以“Achieving high-performance room-temperatureorganic ferromagnetic semiconductor films via topochemical reduction”为题发表在Nature Communications上，其中通讯作者为马於光教授，蒋庆林副研究员，张弜副教授，第一作者为朱亚诺博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省量子科学战略专项、广州市科技项目等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71866-2