低維導體只在某些方向上具有金屬導電性的固體，它是在20世紀70年代發展起來的一個新領域。
基本介紹
- 中文名：低維導體
- 性質：具有金屬導電性的固體
- 電導率：104歐-1·厘米-1
- 晶體結構：層狀
屬性,結構,研究發展,
屬性
一般說來固體的尺度自然是三維的，但是某些分子晶體的物理性質顯示出顯著的各向異性。例如晶體在某一方向上具有金屬導電性,而在其他方向上則可能呈現出半導體的導電特性,電導率可以相差二三個數量級或者更多。因此就其導電特性來說，可以把這種物質看作是一維導體，或準一維導體。石墨就是一個熟知的例子，是二維導體。
結構
它的晶體結構是層狀的，層內碳原子以共價鍵結合，形成大共軛π電子體系，層內方向的電導率約104歐-1·厘米-1，具有金屬導電性；而層與層之間是由范德瓦耳斯力相互聯繫，層間距約3.5┱，層間方向的電導率要比層內約小三個數量級，具有半導體導電性。其他分子晶體和有機化合物一般都是絕緣體，電導率在10-14歐-1·厘米-1以下。 50年代初發現苝與碘形成的複合物,其電導率達10-1歐-1·厘米-1 ，是一種以離子自由基形式存在的電子給體-受體複合物。到60年代初合成了一種新的電子受體分子叫四氰代對二次甲基苯醌(簡稱TCNQ)，並發現了一系列具有較高電導率的TCNQ複合物。1973年發現TCNQ與四硫代富瓦烯(簡稱TTF)所形成的離子自由基複合物 TTF+·-TCNQ-·單晶的b軸方向室溫電導率可達102～103)歐-1·厘米-1，並顯示一系列金屬所特有的屬性,如電導的負溫度係數,b軸偏振光反射光譜出現德魯德型等離子邊緣，溫差電動勢與絕對溫度成正比等。1975年發現一維導體聚硫氮(SN)x在0.23K顯示超導性。1977年發現用五氟化砷或碘摻雜的聚乙炔膜有金屬電導性，如用拉伸的聚乙炔膜摻雜後，電導率顯示顯著的各向異性，在拉伸方向的電導率可達103歐-1·厘米-1以上，是第一個有機高聚物金屬。
研究發展
到目前已合成了五六十種具有一維金屬電導性的分子晶體或高聚物，這類物質也稱“分子金屬”或“合成金屬”,其中大多是有機化合物,也稱“有機金屬”。從分子結構來看可以把已知的一維導體分為下列三類：①通過相鄰分子中金屬原子的d電子云的交疊形成導帶,典型例子是用溴部分氧化的四氰鉑酸鉀 K2Pt(CN)4Br0.3·3H2O(簡稱KCP)。②通過分子內共軛結構的π電子云交疊形成導帶,例如聚硫氮、聚乙炔-碘的電荷轉移複合物。③通過分子間的π電子云交疊形成導帶，例如TTF·TCNQ電荷轉移複合物,在晶體中TTF和TCNQ平面分子分別堆砌成分列的TTF分子柱和TCNQ分子柱,分子柱的方向就是一維導電方向。
相鄰分子間或聚合物整個分子鏈的電子云交疊提供了電子遷移的可能性，僅此條件並不能使晶體成為金屬導體。從能帶的觀點看，在導電方向必須有周期性結構，因此分子柱內的堆砌必須有均一的平面分子間距，如果柱內平面分子的堆砌形成二單元組或三單元組，就成為半導體。要具有金屬電導性,能帶必須是部分填充的,一維導體的部分填充的能帶是通過非簡單化合比、電荷轉移複合物中電荷的部分轉移、TCNQ－TCNQ復鹽等等形式實現的,從化學的觀點來看,就是具有混合價態的分子柱。
一維導體並不具有普通金屬的所有屬性。其能帶來源於π電子云或d電子云的交疊，一般頻寬比較窄，約僅0.5～1電子伏。電導率的溫度依賴性視體系而異，大多數一維導體在降低溫度時會發生金屬－絕緣體轉變。早在50年代R.E.佩爾斯已從理論上預言嚴格的一維體系其電子基態應是絕緣體。這在當時無法考驗其正確性,自合成一維導體以來,已用中子非彈性散射和X射線漫散射等實驗方法,證實一些一維導體如KCP、TTF·TCNQ的金屬－絕緣體相變是佩爾斯失穩性所致。在這相變溫度以上有些一維導體的電導率有極弱的溫度依賴性，而TTF·TCNQ複合物的電導率有極強的溫度依賴性,如圖2所示，服從下式規律：
σ(T)=σo(1+aTθ)-1，a是常數，n=2～2.3。
低維導體合成的一維金屬能否成為超導體，這無論對理論或套用都有重要的意義。答案是肯定的,前面已提到(SN)x在 0.23K以下是超導體。1980年發現四甲基四硒代富瓦稀(TMTSeF)的電荷轉移複合物如(TMTSeF)2PF6在 15K的金屬-絕緣體相變在1.2×106帕高壓下可被抑止,在0.9K以下轉變為超導體。(TMTSeF)2AsF6、(TMTSeF)2SbF6、(TMTSeF)2TaF6 均有類似的性質。最近，曾經有人報導(TMTSeF)2ClO4的室溫電導率接近105歐-1·厘米-1，在常壓1.3K下轉變為超導體。 低維導體的研究還處於初創階段，人們對它的認識還很不充分。合成分子金屬在化學結構上的變化幾乎是無窮盡的，近年來在有機導體和超導體的合成方面進展很快。這些分子晶體往往很細小，而且很脆，無法加工成材料，有機聚合物金屬如聚乙炔和聚苯硫醚的電荷轉移複合物，具有高的電導率，同時具有加工性。這些合成金屬目前還很難預期它們的套用前景，但也已有了一些有意義的嘗試，如含碘電荷轉移複合物導體可用作鋰碘電池的固體電解質，這種電池已用於心臟起搏器。二維導體石墨與SbF5電子受體形成層間插入結構複合物後可使電導率大大增高,甚至可以超過銅或銀的電導率,而其密度要比銅小得多，可作為宇航用導電材料。
