掺杂多环芳烃类有机超导体的扫描隧道显微术研究

Metal doped polycyclic aromatic hydrocarbons are a newly discovered class of superconductors, which attracts broad interests because of their simple structures and possible high superconducting transition temperature (Tc). However, the basic properties of this class of superconductors are still unknown. Due to the limitations of the sample preparation and studying methods in the previous experimental studies, the superconducting phase, accurate doping concentration, and interaction details between metal atoms and hydrocarbon molecules are still not clear. Whether a metallic state will appear during doping is still in debate...Scanning tunneling microscopy (STM) experiments are quite suitable for solving these questions. As the sample can be carefully prepared in vacuum, single crystalline domains can be found on surfaces with single or multiple layers. A crystalline sample can help to settle the mentioned debates. High resolution STM images can be used to help identifying the structures of the domains in real space while a scanning tunneling spectroscopy (STS) measurement can provide the information of the transport properties as well as the superconductivity. With the vertical atomic manipulation technique we can even demonstrate the doping process. Through combining the first principles calculations, we can further identify the interaction properties between metal atoms and the hydrocarbon molecules, including the details of charge transfer...Through our studies, we will bring new understandings to the superconducting mechanism of this newly found hydrocarbon superconductors and provide background knowledge for their applications and the exploration of higher Tc hydrocarbon superconductors.

不久前发现的金属掺杂多环芳烃类有机超导体以其简单的分子结构和可能的高转变温度获得了广泛的关注和研究。然而至今为止对这类超导体的许多基本性质的认识尚不清楚。之前的一些实验研究因样品制备或研究手段等的限制，使得超导相的结构，精确的掺杂量，金属和有机分子之间的相互作用细节与电荷转移量等基本问题都没有得到统一的认识，甚至在有机分子掺杂后是否会得到金属态都有相反的结果出现。..因扫描隧道显微术（STM）在此类研究中的独特优势，申请人计划结合相应实验和理论计算来系统研究这类材料。样品将在真空腔内原位制备。结合STM的实空间成像，扫描隧道谱（STS）和垂直原子搬运技术可以直接确定超导相及其结构和性质并确定精确的掺杂量。第一性原理计算的加入可以进一步确定掺杂细节包括电荷转移等问题。..在这些研究的基础上我们将延伸探讨此类超导体的超导机制，为推动这类超导体的应用和探索更高转变温度的此类有机超导体提供依据。

金属掺杂多环芳烃类有机超导体自发现以来持续获得广泛的关注和研究。据报道，迄今已发现至少9种稠环芳烃和4种联苯类有机物通过金属掺杂可能出现超导现象。然而对这类超导体的许多基本性质的认识尚不清楚，因此我们期望通过真空生长分子膜并原位掺杂的方法获得高质量样品再利用扫描隧道显微镜进行系统的研究。在项目开展过程中，我们对六苯并苯和苉两种有机分子在多种不同表面的生长和钾掺杂进行了大量仔细的研究。结果表明金属衬底与分子膜的相互作用比较强，石墨或SnSe与表面分子膜的相互作用比较弱。但不同表面形成的分子膜形貌比较相似，表明不同类衬底对分子膜的作用差别有限，然而这些差别在钾原子掺入后却具有很显著的影响。钾原子掺入之后，在金属表面我们观察到了丰富的不同于纯分子膜的有序掺杂分子膜结构。随着掺杂量的增加，会有多种有序的新结构出现。对这些有序相的扫描隧道谱和理论计算研究表明，由于钾原子向有机分子转移电子，导致掺杂膜的LUMO随着掺杂量的增加持续向费米能级移动，并且在掺杂比例约3:1（钾原子数比有机分子数）时移动到费米能级上。然而，由于两种有机分子的掺杂分子膜体系中均存在强电子关联作用，导致移动到费米能级的LUMO能级劈裂，形成Mott绝缘体。另一方面，在SnSe和石墨表面的有机分子膜因为缺乏衬底的帮助，钾掺杂后局部增强了分子之间相互作用，容易形成团聚的无序结构，团簇的能隙通常很大。因此，虽然我们做了很多努力，却始终无法通过对有机分子膜进行掺杂的方法获得超导相，从而无法从实验上进一步进行超导相关的研究。尽管如此，我们的研究完整清晰的阐明了不同表面有机分子膜的生长和钾掺杂的各种行为，回答了为什么始终无法通过表面生长的方式获得掺杂多环芳烃有机超导体的疑问，为相关有机超导的进一步研究提供了有价值的借鉴。在研究过程中我们发表了10篇与项目有关的论文，另有4篇直接相关论文正在投稿中。研究过程中遇到的尚未解决的问题我们还将持续进行研究。