有机超导体

有机超导体是一种在低温下表现出超导性的合成有机化合物。

截至 2007 年，标准压力下有机超导体的最高临界温度为 33 K（-240 °C；-400 °F），在碱掺杂富勒烯 RbCs2C60 中观察到。

1979年Klaus Bechgaard合成了xxx个有机超导体（TMTSF）2PF6（相应的材料类别后来以他的名字命名），其转变温度为TC = 0.9 K，外部压力为11 kbar。

许多材料可以表征为有机超导体。这些包括准一维和准二维材料的 Bechgaard 盐和 Fabre 盐，例如 k-BEDT-TTF2X 电荷转移络合物、λ-BETS2X 化合物、石墨插层化合物和三维材料，例如作为碱掺杂富勒烯。

有机超导体不仅对寻找室温超导性和解释超导起源的模型系统的科学家特别感兴趣，而且对日常生活问题也特别感兴趣，因为有机化合物主要由碳和氢构成，它们属于地球上最常见的元素地球与铜或锇形成对比。

法布尔盐由四甲基四硫富瓦烯 (TMTTF) 和四甲基四硒富瓦烯 (TMTSF) 的 Bechgaard 盐组成。这两个有机分子是相似的，只是 TMTTF 的硫原子被 TMTSF 中的硒原子取代。分子堆积成柱状（倾向于二聚化），由阴离子隔开。典型的阴离子是，例如，八面体 PF6、AsF6 或四面体 ClO4 或 ReO4。

两种材料类别在室温下都是准一维的，仅沿分子堆叠传导，并且共享非常丰富的相图，其中包含反铁磁有序、电荷有序、自旋密度波态、维度交叉和超导性。

仅发现一种 Bechgaard 盐在环境压力下具有超导性，即 (TMTTF)2ClO4，其转变温度为 TC = 1.4 K。其他几种盐仅在外部压力下才具有超导性。驱动大多数法布尔盐超导所需的外部压力是如此之高，以至于在实验室条件下，仅在一种化合物中观察到超导性。下表显示了几种一维有机超导体的转变温度和相应的外部压力的选择。

BEDT-TTF 是双亚乙基二硫代四硫富瓦烯的缩写形式，通常缩写为 ET。这些分子形成由阴离子隔开的平面。平面中的分子模式不是xxx的，但根据阴离子和生长条件，有几个不同的生长阶段。与超导有关的重要相是 α 相和 θ 相，其分子以鱼骨结构排列，而 β 相，尤其是 κ 相，其排列成棋盘状结构，分子在 κ 相中二聚化。这种二聚化使 κ 相特别，因为它们不是四分之一而是半填充的系统，与其他相相比，它们在更高的温度下进入超导性。

分隔两片 ET 分子的可能阴离子量几乎是无限的。有简单的阴离子如三碘化物 (I-3)，聚合的阴离子如著名的 Cu[N(CN)2]Br 和含有溶剂的阴离子如 Ag(CF3)4·112DCBE。ET 基晶体的电子特性取决于其生长阶段、阴离子和施加的外部压力。将具有绝缘基态的 ET 盐驱动为超导盐所需的外部压力远低于 Bechgaard 盐所需的外部压力。例如，κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl 只需约 300 bar 的压力即可变为超导，这可以通过将晶体置于冷冻于 0 °C (32 °F) 以下的润滑脂中来实现，然后然后提供足够的应力来诱导超导转变。水晶非常敏感，这可以在 α-(ET)2I3 中在阳光下放置几个小时（或者在 40°C、104°F 的烤箱中进行更多控制）中观察到。在这种处理之后，人们得到超导的αTempered-(ET)2I3。

与 Fabre 或 Bechgaard 盐相比，所有基于 ET 的盐的通用相图仅被提出。这样的相图不仅取决于温度和压力（即带宽），还取决于电子相关性。除了超导基态之外，这些材料还显示出电荷顺序、反铁磁性或在最低温度下仍保持金属性。一种化合物甚至被预测为自旋液体。

在环境压力和外部压力下的最高转变温度都出现在具有非常相似阴离子的 κ 相中。κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Br 在环境压力下在 TC = 11.8 K 时变为超导，并且 300 bar 的压力驱动氘化的 κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl 从反铁磁到转变温度为 TC = 13.1 K 的超导基态。下表仅显示了此类超导体的几个示例性超导体。有关更多超导体，请参阅参考文献中的 Lebed (2008)。

通过用硒（BEDT-TSF，BETS）或氧（BEDO-TTF，BEDO）替换硫原子，稍微改变ET分子可以找到更多的超导体。

当外部磁场抑制超导性时，κ-(ET)2X 和 λ(BETS)2X 族的一些二维有机超导体是 Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) 相的候选者。

基于 C60 的超导富勒烯与其他有机超导体完全不同。建筑分子不再是经过操纵的碳氢化合物，而是纯碳分子。此外，这些分子不再是扁平的而是体积庞大的，从而产生了三维的各向同性超导体。纯 C60 在 fcc 晶格中生长并且是绝缘体。通过在间隙中放置碱原子，晶体变成金属并最终在低温下超导。

不幸的是，C60 晶体在环境大气中不稳定。它们在封闭的胶囊中生长和研究，限制了可能的测量技术。对于 Cs2RbC60，迄今为止测量的最高转变温度是 TC = 33 K。有机超导体的最高测量转变温度是在 1995 年在 Cs3C60 中以 15 kbar 加压时发现的 TC = 40 K。在压力下，这种化合物表现出独特的行为。通常，最高 TC 是在驱动过渡所需的最低压力下实现的。进一步增加压力通常会降低转变温度。然而，在 Cs3C60 中，超导性在 100 bar 的非常低的压力下开始出现，并且转变温度随着压力的增加而不断增加。这表明完全不同的机制，然后只是扩大带宽。

除了三大类有机超导体 (SC) 之外，还有更多的有机系统在低温或压力下变得超导。下面举几个例子。

TMTTF 以及 BEDT-TTF 基于分子 TTF（四硫富瓦烯）。使用 TTP（四硫杂戊二烯）作为基本分子，人们会收到各种新的有机分子作为有机晶体中的阳离子。其中一些是超导的。这类超导体最近才被报道，调查仍在进行中。

最近，取代使用硫酸化分子或相当大的巴克明斯特富勒烯，从烃类苎烯和菲合成晶体成为可能。用碱金属（如钾或铷）掺杂晶体苒和菲并退火数天会导致超导性的转变温度高达 18 K（-255 °C；-427 °F）。对于 AxPhenanthrene，超导性可能是非常规的。菲和吡啶都被称为菲边型多环芳烃。苯环数量的增加导致更高的 Tc。

将外来分子或原子置于六边形石墨片之间会导致有序结构和超导性，即使外来分子或原子和石墨层都不是金属的。已经合成了几种化学计量，主要使用碱原子作为阴离子。