近日，科学技术大学*智能化学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“Inter-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，*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

*终获得过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*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*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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