• 有機超導體

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    有機超導體

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    有機超導體是一種在低溫下表現出超導性的合成有機化合物

    截至 2007 年,標準壓力下有機超導體的最高臨界溫度為 33 K(-240 °C;-400 °F),在堿摻雜富勒烯 RbCs2C60 中觀察到。

    1979年Klaus Bechgaard合成了xxx個有機超導體(TMTSF)2PF6(相應的材料類別后來以他的名字命名),其轉變溫度為TC = 0.9 K,外部壓力為11 kbar。

    許多材料可以表征為有機超導體。這些包括準一維和準二維材料的 Bechgaard 鹽和 Fabre 鹽,例如 k-BEDT-TTF2X 電荷轉移絡合物、λ-BETS2X 化合物石墨插層化合物和三維材料,例如作為堿摻雜富勒烯。

    有機超導體不僅對尋找室溫超導性和解釋超導起源的模型系統科學家特別感興趣,而且對日常生活問題也特別感興趣,因為有機化合物主要由碳和構成,它們屬于地球上最常見的元素地球與銅或鋨形成對比。

    一維 Fabre 和 Bechgaard 鹽

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    法布爾鹽由四甲基四富瓦烯 (TMTTF) 和四甲基四硒富瓦烯 (TMTSF) 的 Bechgaard 鹽組成。這兩個有機分子是相似的,只是 TMTTF 的硫原子被 TMTSF 中的硒原子取代。分子堆積成柱狀(傾向于二聚化),由陰離子隔開。典型的陰離子是,例如,八面體 PF6、AsF6 或四面體 ClO4 或 ReO4。

    兩種材料類別在室溫下都是準一維的,僅沿分子堆疊傳導,并且共享非常豐富的相圖,其中包含反鐵磁有序、電荷有序、自旋密度波態、維度交叉和超導性。

    發現一種 Bechgaard 鹽在環境壓力下具有超導性,即 (TMTTF)2ClO4,其轉變溫度為 TC = 1.4 K。其他幾種鹽僅在外部壓力下才具有超導性。驅動大多數法布爾鹽超導所需的外部壓力是如此之高,以至于在實驗室條件下,僅在一種化合物中觀察到超導性。下表顯示了幾種一維有機超導體的轉變溫度和相應的外部壓力的選擇。

    二維 (BEDT-TTF)2X

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    BEDT-TTF 是雙亞乙基二硫代四硫富瓦烯的縮寫形式,通常縮寫為 ET。這些分子形成由陰離子隔開的平面。平面中的分子模式不是xxx的,但根據陰離子和生長條件,有幾個不同的生長階段。與超導有關的重要相是 α 相和 θ 相,其分子以結構排列,而 β 相,尤其是 κ 相,其排列成棋盤狀結構,分子在 κ 相中二聚化。這種二聚化使 κ 相特別,因為它們不是四分之一而是半填充的系統,與其他相相比,它們在更高的溫度下進入超導性。

    分隔兩片 ET 分子的可能陰離子量幾乎是無限的。有簡單的陰離子如三碘化物 (I-3),聚合的陰離子如著名的 Cu[N(CN)2]Br 和含有溶劑的陰離子如 Ag(CF3)4·112DCBE。ET 基晶體的電子特性取決于其生長階段、陰離子和施加的外部壓力。將具有絕緣基態的 ET 鹽驅動為超導鹽所需的外部壓力遠低于 Bechgaard 鹽所需的外部壓力。例如,κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl 只需約 300 bar 的壓力即可變為超導,這可以通過將晶體置于冷凍于 0 °C (32 °F) 以下的潤滑脂中來實現,然后然后提供足夠的應力來誘導超導轉變。水晶非常敏感,這可以在 α-(ET)2I3 中在陽光下放置幾個小時(或者在 40°C、104°F 的烤箱中進行更多控制)中觀察到。在這種處理之后,人們得到超導的αTempered-(ET)2I3。

    與 Fabre 或 Bechgaard 鹽相比,所有基于 ET 的鹽的通用相圖僅被提出。這樣的相圖不僅取決于溫度和壓力(即帶寬),還取決于電子相關性。除了超導基態之外,這些材料還顯示出電荷順序、反鐵磁性或在最低溫度下仍保持金屬性。一種化合物甚至被預測為自旋液體

    在環境壓力和外部壓力下的最高轉變溫度都出現在具有非常相似陰離子的 κ 相中。κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Br 在環境壓力下在 TC = 11.8 K 時變為超導,并且 300 bar 的壓力驅動氘化的 κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl 從反鐵磁到轉變溫度為 TC = 13.1 K 的超導基態。下表僅顯示了此類超導體的幾個示例性超導體。有關更多超導體,請參閱參考文獻中的 Lebed (2008)。

    通過用硒(BEDT-TSF,BETS)或氧(BEDO-TTF,BEDO)替換硫原子,稍微改變ET分子可以找到更多的超導體。

    當外部磁場抑制超導性時,κ-(ET)2X 和 λ(BETS)2X 族的一些二維有機超導體是 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 相的候選者。

    摻雜富勒烯

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    基于 C60 的超導富勒烯與其他有機超導體完全不同。建筑分子不再是經過操縱的碳氫化合物,而是純碳分子。此外,這些分子不再是扁平的而是體積龐大的,從而產生了三維的各向同性超導體。純 C60 在 fcc 晶格中生長并且是絕緣體通過在間隙中放置堿原子,晶體變成金屬并最終在低溫下超導。

    不幸的是,C60 晶體在環境大氣中不穩定。它們在封閉的膠囊中生長和研究,限制了可能的測量技術對于 Cs2RbC60,迄今為止測量的最高轉變溫度是 TC = 33 K。有機超導體的最高測量轉變溫度是在 1995 年在 Cs3C60 中以 15 kbar 加壓時發現的 TC = 40 K。在壓力下,這種化合物表現出獨特的行為。通常,最高 TC 是在驅動過渡所需的最低壓力下實現的。進一步增加壓力通常會降低轉變溫度。然而,在 Cs3C60 中,超導性在 100 bar 的非常低的壓力下開始出現,并且轉變溫度隨著壓力的增加而不斷增加。這表明完全不同的機制,然后只是擴大帶寬。

    更多有機超導體

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    除了三大類有機超導體 (SC) 之外,還有更多的有機系統在低溫或壓力下變得超導。下面舉幾個例子。

    基于 TTP 的 SC

    TMTTF 以及 BEDT-TTF 基于分子 TTF(四硫富瓦烯)。使用 TTP(四硫雜戊二烯)作為基本分子,人們會收到各種新的有機分子作為有機晶體中的陽離子。其中一些是超導的。這類超導體最近才被報道,調查仍在進行中。

    有機超導體

    菲型SC

    最近,取代使用硫酸化分子或相當大的巴克明斯特富勒烯,從烴類苧烯和菲合成晶體成為可能。堿金屬(如鉀或銣)摻雜晶體苒和菲并退火數天會導致超導性的轉變溫度高達 18 K(-255 °C;-427 °F)。對于 AxPhenanthrene,超導性可能是非常規的。菲和吡啶都被稱為菲邊型多環芳烴。苯環數量的增加導致更高的 Tc。

    石墨嵌入 SC

    將外來分子或原子置于六邊形石墨片之間會導致有序結構和超導性,即使外來分子或原子和石墨層都不是金屬的。已經合成了幾種化學計量,主要使用堿原子作為陰離子。

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    詞條目錄
    1. 有機超導體
    2. 一維 Fabre 和 Bechgaard 鹽
    3. 二維 (BEDT-TTF)2X
    4. 摻雜富勒烯
    5. 更多有機超導體
    6. 基于 TTP 的 SC
    7. 菲型SC
    8. 石墨嵌入 SC

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