碱金属掺杂菲类芳香烃超导体的晶体生长和物性研究

The discovery of polycyclic aromatic superconductors since 2010, including picene, phenanthrene, and dibenzopentacene, has attracted great research interest in the condensed matter physics community. However, due to poor sample quality and low superconducting fraction, it is difficult to understand this new type of organic superconductors. In this project, we plan to carry out the following research works based on our previous experimental studies: (1) try to synthesize high quality molecular crystals of alkai-metal-doped phenanthrene, bromophenanthrene, and methylphenanthrene by employing the solid-annealing method under proper thermodynamical condition; (2) study the atomic structure and physical properties of above phenanthrene-type crystals based on X-ray diffraction, Laman spectroscopy, and Squid measurement; (3) study the electric transportation and behaviors under pressure, and analyze the change of physical properties with pressure. Our research works will make an important contribution to the development of this new type of organic superconductors.

2010年起陆续报道的苉、菲、二苯并五苯等多环芳香烃有机超导体激发了凝聚态物理学界极大的研究热情，但由于样品的重复性差，测量超导分数低，为实验和理论理解该类新型有机超导体带来很大的困难。在本项目中，我们计划在前期实验研究的基础上开展以下几个研究工作：（1）采用固相烧结法并通过控制晶体生长的热力学条件来合成高质量的碱金属掺杂菲、溴菲、甲基菲等分子晶体；（2）结合X-射线衍射图谱、拉曼谱、超导量子干涉仪（SQUID）测量结果综合分析上述菲类分子晶体在不同碱金属原子和分子配比情况下的结构和物理特性，尤其是超导特性；（3）对发现的有机超导体开展电输运和压力研究工作，结合理论计算分析超导体在压力下的物性变化。我们的研究工作将会有力地促进多环芳香烃有机超导这一新兴领域的发展。

在项目中，我们基于菲、萘、蒽、以及对三联苯等芳香烃分子体系开展了系统的实验和理论研究，设计了碱金属（钾、铷）掺杂有机物的关键制备技术，获得了一系列具有特殊超导和有机铁磁性能的新材料，并对其超导电性或铁磁性的根源进行了系统地分析。部分重要的研究成果如下：1、在钾掺杂对三联苯有机分子晶体中发现了4.5K，7K，43K和123K等多个超导转变温度点；2、在钾掺杂三苯基铋有机金属分子晶体中发现存在两个超导转变温度点，3.5K和7.2K。超导分数超过1%且能100%重复，通过零电阻的测定确认了超导特性的存在；3、在钾掺杂三对/邻甲苯基铋有机金属分子晶体中发现所有样品存在3.6K的超导转变温度点，少数样品存在5.3K的超导转变温度点。超导分数高达18%且能100%重复，通过零电阻的测定确认了超导电性的存在；4、在铷掺杂三苯基铋和三对/邻甲苯基铋有机金属分子晶体中发现存在约为4.1-4.2K的超导相和32-35K附近的反铁磁转变特征。5、在钾掺杂萘样品中发现15K附近存在顺磁-铁磁转变特性，并在钾掺杂9-苯基蒽中发现5.2K以下的弱铁磁特性（即自旋倾斜反铁磁性）。理论研究结果表明，磁性的产生来源于电子从钾的4s轨道到分子π轨道的转移；6、在真空退火萘分子晶体样品中发现了室温铁磁性。实验测量和理论计算结果揭示了（001）晶面上大量碳悬挂键的产生是铁磁性产生的根源。我们的研究结果表明碱金属掺杂有机分子晶体可以产生新奇的超导和磁学特性，为寻找高温超导和有机磁性材料提供了新的思路和途径。在其他相关研究领域中也取得了系列进展，共发表SCI论文19篇。