合成金屬

合成金屬（synthetic metals） 一類不含金屬元素單質但具有金屬導電性的化合物。研究較多的有聚乙炔、鈣鈦礦型氧化物、鎢青銅等。聚乙炔柔曲性好，可撓性好，可用作高容量塑膠電池的大面積電極材料。過渡金屬一稀土類鈣鈦礦型氧化物可作燃料電池的氧電極，也可作汽車尾氣處理的轉化催化劑，LaNiO₃對乙醇接觸時電阻值發生變化，可作乙醇感測器。鎢青銅是一類M_xWO₃型化合物，其中M為氫、鹼金屬、銀等，可作電致變色顯示器，也可作電池的陽極材料。

基本介紹

• 中文名：合成金屬
• 外文名：synthetic metals
• 簡述：不含金屬元素單質但有金屬導電性
• 種類：有機金屬、高分子絡合物等
• 特徵：屬於低維材料、結構取向大
• 套用：電池、生物技術等

合成金屬的定義

最近接連不斷地研製成功許多這樣的化合物：它們完全不含金屬元素但確具有金屬的導電性。有的化合物是由碳，氫、氮、硫磺等構成的有機化合物分子性晶體，人們稱它們為有機金屬或分子性金屬；有的化合物是僅由氮和硫磺組成的無機高分子化合物晶體。另外，還有一種化合物是含有水銀，白金、鎳等的有機或無機化合物。這些化合物統稱為合成金屬。

另一方面，正在大力研究TaS₂、TiS₂、NbSe₃等許多過渡金屬硫族化合物。乍一看來，人們也許會認為，這些化合物之間完全無關連，除金屬的電傳導性以外，沒有任何共同之處。但是如果研究一下這些化合物的物性，即可發現它們的性質與普通的金屬不同，不具有各向同性，而是在某一個特定方向的性質與其它方向比較有顯著的差異。一類化合物僅在特定的結晶軸方向上具有很高的電導率，另外一類化合物在特定的結晶面內有很高的電導率。前者為一維（導電）材料，後者稱為二維（導電）材料，而普通金屬為三維（導電）材料。

特徵

上述合成金屬還有一個共同點，這就是均屬於低維材料。雖然，稱為低維材料，但實際上從外形來看是占據三維空間的物質。因此，從嚴格的定義來講，低維材料是不存在的。這些材料被稱為擬一維或低維物質，只是在被合成之後，通過測量才發現它們有三維物質中所沒有的新現象。

從理論上已經預測到了這些現象。理論可與實驗進行比較，而且兩者具有密切關係的新現象正在繼續得到證明．並且發現大多數的準一維化合物的電導率象金屬一樣隨著溫度的降低而提高，但在某一溫度下電導率急劇下降，變成絕緣體。今天，把這種現象稱之為培葉爾斯（Peierls）轉移，但在1955年對準一維化合物等還完全不了解的情況下，在培葉爾斯著的固體物理教科書中，把這種現象作為同一原於等間隔並列的一維晶格變形問題加以論述。

一維化合物的特有現象是引起培葉爾斯轉移，其結果，產生電荷密度及晶格變形合而為一的長周期起伏。這種起伏稱為電荷密度波（CWD），現正通過X射線和中子散射等實驗手段，研究其存在和特性。

結構最簡單的有機高分子化合物聚乙炔，由於構成鏈的每個碳原子都有一個冗電子，所以與一維電子系近似，但實際合成的聚乙炔，是室溫下就已產生培葉爾斯轉移的絕緣體或半導體。在聚乙炔中添加少量受主或施主雜質（摻雜），就會引起電導率顯著的增加而向金屬轉移；這種現象在發現的初期，一般認為聚乙炔按照與矽和鍺等無機半導體一樣的機埋增加電導率，最近有人指出：出現的反式聚乙炔，具有二個簡併化結構，所以產生的非線型拓撲學激勵也就是蘇立頓，有助於改善導電性及其它性質。

儘管上述化合物具有合成金屬及低維材料的兩個共同點，但化合物種類繁多。

合成金屬的種類

最近由於對合成金屬研究的盛行，每年發現大量的具有各種特性的合成金屬，因此對於合成金屬的分類不是一成不變的。為了方便起見，安西等把其分成六類：（1）有機金屬；（2）高分子絡合物；（3）無機高分子；（4）白金絡合物；（5）水銀絡合物；（6）層間化合物。下面對其中的（1）和（2）作一介紹。

（1）有機金屬

代表性的電子授體和受體

具有特殊結晶結構的有機電荷轉移絡合物顯示出金屬的性質，被稱為有機金屬。

有機電荷轉移絡合物是容易供給電子的電子供給體分子與容易接受電子的電子受體分子之間由於電荷授受所生成的一種分子化合物。下圖列出了代表性的電子供給體和受體分子結構。

（2）高分子絡合物

高分子絡合物是高分子帶電體與配對離子組成的複合體。近年來，其數目急驟增

加·這類高分予絡合物很多具有較好均等電懂，有的甚至與金冒差不多。代表性的導電

性高分子絡合物有聚乙炔、聚苯、聚苯硫醚等。

合成金屬的結構和性質

（1）結構

有機金屬，一般採取異向性大，均結晶結構，這樣的結構決定了有機金屬的物理性質。其結構如圖1所示，為分離積層結構。

圖1 TTF-TCNQ的結晶結構

導電性高分子絡合物幾乎都是非晶體。添加AsF₆的五元環具有如圖所示的分子結構。

（2）導電性

有機金屬的導電性具有異向性，其導電率δRT在10s·cm左右。

高分子導電體不保持上述異向性，其傳導的電子沿著共軛體系移動。當令非晶體的高分子導電體的最大的導電率為10s·cm，但如果使聚乙炔的通路成一個方向，並添加碘，則其導電率可以超過10s·cm（水銀的導電率為10s·cm）。

（3）反射率

合成金屬的異向性也在反射率上很好地體現出來。作為有機金屬的TTF-TCNQ對於平行於導電率大的結晶軸的偏光顯示大的反射率。但對於垂直於此方向的偏光反射率小，並不依賴于波長。

套用

對於合成金屬，不但希望它具有優異的特性，而且從經濟性考慮，要求製造成本低，資源豐富。大多數金屬元素是稀少的，即便資源豐富，但要製取純金屬，也需要花費很高的成本。聚乙炔等材料是由地球上大量存在、而且容易利用的碳和水（及若干摻雜劑）組成的高分子，其性質與金屬和半導體相同。這種材料，對於將來金屬資源枯竭，具有極為重要的意義。因此，將其稱之為合成金屬也是非常合適的．另一方面，還有一類金屬化合物，例如鎢青銅，它既具有一般金屬的性質，又兼有金屬所沒有的功能（例如離子擴散功能等），其套用價值是不能忽視的。這類金屬化合物就是可以稱之為合成金屬的材料群。

由於合成金屬的研究歷史相對而言不算長，所以我們對合成金屬在工業上的套用應有一個不斷理解不斷深化的過程。隨著科學技術的進步，我們對電荷載體在合成金屬內流動的本質將有更深刻的了解，從而可推動我們對高導電的卟啉類化合物在生物體系內作用的了解。TCNQ良好的接受電子的能力，已被設計用來研究極化頭在某些磷類脂（phospholipids）內躍遷、測定與表征金屬氧化物用作催化劑的Donor性能、測定表面活性劑的臨界膠束濃度等等。如果合成金屬的超導溫度能夠達到比無機化合物還要高的溫度，那么它們在工業上的套用前景將是十分寬闊的，它們將被用來製造高效的電動發動機、功率非常強大的電磁元件、輸出熱量極小的超級計算機的功能元件等等。總而言之，合成金屬必將有一個美好的未來。