关于低维导体介绍

[拼音]：diwei daoti

[外文]：lowdimensional conductor

只在某些方向上具有金属导电性的固体，它是在20世纪70年代发展起来的一个新领域。一般说来固体的尺度自然是三维的，但是某些分子晶体的物理性质显示出显著的各向异性。例如晶体在某一方向上具有金属导电性，而在其他方向上则可能呈现出半导体的导电特性，电导率可以相差二三个数量级或者更多。因此就其导电特性来说，可以把这种物质看作是一维导体，或准一维导体。石墨就是一个熟知的例子，是二维导体。它的晶体结构是层状的，层内碳原子以共价键结合，形成大共轭π电子体系，层内方向的电导率约104欧-1·厘米-1，具有金属导电性；而层与层之间是由范德瓦耳斯力相互联系，层间距约3.5┱，层间方向的电导率要比层内约小三个数量级，具有半导体导电性。其他分子晶体和有机化合物一般都是绝缘体，电导率在10-14欧-1·厘米-1以下。

50年代初发现苝与碘形成的复合物，其电导率达10-1欧-1·厘米-1 ，是一种以离子自由基形式存在的电子给体-受体复合物。到60年代初合成了一种新的电子受体分子叫四氰代对二次甲基苯醌(简称TCNQ)，并发现了一系列具有较高电导率的TCNQ复合物。1973年发现TCNQ与四硫代富瓦烯(简称TTF)所形成的离子自由基复合物 TTF+·-TCNQ-·单晶的b轴方向室温电导率可达102～103)欧-1·厘米-1，并显示一系列金属所特有的属性，如电导的负温度系数，b轴偏振光反射光谱出现德鲁德型等离子边缘，温差电动势与绝对温度成正比等。1975年发现一维导体聚硫氮(SN)x在0.23K显示超导性。1977年发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔膜有金属电导性，如用拉伸的聚乙炔膜掺杂后，电导率显示显著的各向异性，在拉伸方向的电导率可达103欧-1·厘米-1以上，是第一个有机高聚物金属。

到目前已合成了五六十种具有一维金属电导性的分子晶体或高聚物，这类物质也称“分子金属”或“合成金属”，其中大多是有机化合物，也称“有机金属”。从分子结构来看可以把已知的一维导体分为下列三类：

（1）通过相邻分子中金属原子的d电子云的交叠形成导带，典型例子是用溴部分氧化的四氰铂酸钾 K2Pt(CN)4Br0.3·3H2O(简称KCP)。

（2）通过分子内共轭结构的π电子云交叠形成导带，例如聚硫氮、聚乙炔-碘的电荷转移复合物。

（3）通过分子间的π电子云交叠形成导带，例如TTF·TCNQ电荷转移复合物，在晶体中TTF和TCNQ平面分子分别堆砌成分列的TTF分子柱和TCNQ分子柱，分子柱的方向就是一维导电方向。

相邻分子间或聚合物整个分子链的电子云交叠提供了电子迁移的可能性，仅此条件并不能使晶体成为金属导体。从能带的观点看，在导电方向必须有周期性结构，因此分子柱内的堆砌必须有均一的平面分子间距，如果柱内平面分子的堆砌形成二单元组或三单元组，就成为半导体。要具有金属电导性，能带必须是部分填充的，一维导体的部分填充的能带是通过非简单化合比、电荷转移复合物中电荷的部分转移、TCNQ－TCNQ复盐等等形式实现的，从化学的观点来看，就是具有混合价态的分子柱。

一维导体并不具有普通金属的所有属性。其能带来源于π电子云或d电子云的交叠，一般带宽比较窄，约仅0.5～1电子伏。电导率的温度依赖性视体系而异，大多数一维导体在降低温度时会发生金属－绝缘体转变。早在50年代R.E.佩尔斯已从理论上预言严格的一维体系其电子基态应是绝缘体。这在当时无法考验其正确性，自合成一维导体以来，已用中子非d性散射和X射线漫散射等实验方法，证实一些一维导体如KCP、TTF·TCNQ的金属－绝缘体相变是佩尔斯失稳性所致。在这相变温度以上有些一维导体的电导率有极弱的温度依赖性，而TTF·TCNQ复合物的电导率有极强的温度依赖性，如图2所示，服从下式规律：

σ(T)＝σo(1＋aTθ)-1，a是常数，n＝2～2.3。

合成的一维金属能否成为超导体，这无论对理论或应用都有重要的意义。答案是肯定的，前面已提到(SN)x在 0.23K以下是超导体。1980年发现四甲基四硒代富瓦稀(TMTSeF)的电荷转移复合物如(TMTSeF)2PF6在 15K的金属-绝缘体相变在1.2×106帕高压下可被抑止，在0.9K以下转变为超导体。(TMTSeF)2AsF6、(TMTSeF)2SbF6、(TMTSeF)2TaF6 均有类似的性质。最近，曾经有人报道(TMTSeF)2ClO4的室温电导率接近105欧-1·厘米-1，在常压1.3K下转变为超导体。

低维导体的研究还处于初创阶段，人们对它的认识还很不充分。合成分子金属在化学结构上的变化几乎是无穷尽的，近年来在有机导体和超导体的合成方面进展很快。这些分子晶体往往很细小，而且很脆，无法加工成材料，有机聚合物金属如聚乙炔和聚苯硫醚的电荷转移复合物，具有高的电导率，同时具有加工性。这些合成金属目前还很难预期它们的应用前景，但也已有了一些有意义的尝试，如含碘电荷转移复合物导体可用作锂碘电池的固体电解质，这种电池已用于心脏起搏器。二维导体石墨与SbF5电子受体形成层间插入结构复合物后可使电导率大大增高，甚至可以超过铜或银的电导率，而其密度要比铜小得多，可作为宇航用导电材料。