芳香有机超导材料探索和超导机理研究

2021-08-24

图1：超导体的发展简史和其应用举例。80年代开始超导临界温度得到了快速的提升，2019年在高压下的氢化物中观察到了接近零温的超导电性，室温超导有望在轻元素化合物材料中得到实现。

超导材料因其在无损耗输电和产生超大磁场方面的特性而在能源、信息电子、量子器件和医疗等先进技术领域展现了重要的应用价值。如图1，自从100多年前超导现象被发现，超导研究就是以实现室温超导为目
标，从而涌现出了若干个超导研究的高潮期，超导体的超导转变温度也不断被提升到一个个新高度。轻元素超导体被认为是实现室温超导的最具前景的体系，目前在高压下形成的氢化物中发现了接近零温的超导电性
，这使人们看到了超导大规模应用的曙光。然而，极端的压强条件（超过150万大气压）成为了现实中阻碍超导应用的最后一公里屏障。为解决轻元素超导体工作压强过高的问题，近年来我们聚焦芳香有机化合物，
探索发现了一系列常压或低压下的高温超导材料，理论解析了它们的微观原子结构，并揭示了其超导规律和内在机理。

图2. 不同芳香化合物的超导转变温度Tc，这里n代表了芳香分子中的苯环个数。

首先，我们系统研究了常压下金属掺杂的稠环芳香化合物，如图2。基于大量的晶体结构、热力学稳定性、电子特征和电-声相互作用数据结果，我们发现芳香体系的基本单元----苯具有超导电性，其超导转变
温度约为6 K；而所研究的稠环芳香化合物中都存在一个普适的低温超导相（超导温度在5-7 K范围），这与苯的超导电性恰好吻合；并发现四苯环以下体系只含有这个低温超导相，而在五环以上的多苯环体系中却可
以存在多个超导相共存的现象。进一步我们理论揭示该低温超导相来自于2电子掺杂引起的电声调制，而高温超导相由3电子掺杂引起的强电-声相互作用和电子-电子关联效应共同驱动。该研究系统地揭示了芳香有机

超导体的规律和本质，对于探索芳香有机高温超导体具有重要的指导意义。

图3：实验观察的金属掺杂的联苯和类苯体系的超导转变现象和理论预测的晶体结构特征。

随后，我们预测5-7 K的低温相应该存在于所有的芳香类有机超导体中，是芳香有机材料的本征相，相比于高温超导相，低温超导相更易于在实验中制备。这个结论被实验进一步证实。我们和实验团队合作成功制备了钾金属掺杂的biphenyl、p-terphenyl、p-quaterphenyl、p-quinquephenyl以及2,2’-Bipyridine，如图3，在联苯类和其它类芳香体系中观察到了这样一个低温超导电性。同时，对于实验上难以表征的超导相的晶体结构，我们也从理论模拟的角度解析了这类芳香超导体的晶体结构和金属原子的位置。

进一步，通过研究系统中芳香环的个数、排列方式、以及金属掺杂浓度对超导电性的影响规律，我们指出在常压下，增大体系中芳香分子的尺寸、增大掺杂浓度和调节芳香环的排列方式，都有可能提升芳香有机化合物的超导转变温度，目前我们已经和实验团队合作在联苯体系中获得了超过120 K的超导转变现象。芳香有机化合物在高温/室温超导领域展现巨大的潜力，尤其是其可以在常压下工作和具有的柔性特点，未来利用这种有机材料做出器件，将使人们的生活发生革命性变化。

图4.芳香化合物是最有前景地高温超导体之一，利用这种有机材料做出的器件，将会给人们生活带来革命性变化。

上述研究得到国家自然科学基金委和深圳市基础研究学科布局等项目的资助支持。详细研究进展请参考如下期刊论文：

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-ry Letters 10, 40 (2019)；Physical Chemistry Chemical Physics 20, 25217 (2018)；Journal of Physics-Condensed Matter 30, 245703 (2018)；Journal of Physical Chemistry C 122, 3801 (2018)；IE
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