北京大学窦锦虎课题组《自然·通讯》：配位聚合物单晶的超导特性

文摘 2024-11-04 18:13 北京

二维配位聚合物(2D MOFs)是近十年来迅速崛起的一类电子材料，凭借其由金属中心与共轭配体自组装形成的d-π共轭网络，展现出优异的电荷传输性能，颠覆了MOFs材料传统上被视为绝缘体的认知。2D MOFs晶格可高度模块化设计，金属离子与有机配体可选种类广泛，同时配位场决定面内电子离域和层间耦合，可有效调控电子物态。此外，晶格尺度影响材料的电子关联和能带色散，2D MOFs独特的长晶格周期有望催生丰富的量子输运效应和自旋相互作用，为研究者提供了一个丰富的框架体系，用于探索各种奇异的凝聚态物理现象。

近日，北京大学材料科学与工程学院窦锦虎课题组在Nature Communications发表了题为“Synthesis and Structure of a Non-van-der-Waals Two-Dimensional Coordination Polymer with Superconductivity” 的研究成果。该研究团队成功合成了高质量、大尺寸的Cu₃BHT配位聚合物单晶，首次揭示了其精确的晶体结构。研究表明其具有非范德华相互作用的准二维 kagome结构，这一发现与之前假设的石墨状层状结构形成鲜明对比，高质量单晶使得可以实现原子级精度的结构测定，表明Cu₃BHT具有层间的Cu-S共价键连接。Cu₃BHT单晶表现出本征金属传输特性，电导率在300 K时达10³ S/cm，在2 K时提升至10⁴ S/cm。值得注意的是，该单晶在 0.25 K时表现出超导转变，结合理论计算进一步阐明了其超导机制，归因于其独特结构引起的电子-声子耦合和电子-电子相互作用增强。

该研究明确了 Cu₃BHT单晶结构与超导特性之间的构效关系，为超导配位聚合物的开发奠定了重要基础，并有望推动配位聚合物中量子物态研究的进一步发展。论文的共同第一作者为北京大学材料科学与工程学院的博士研究生潘志超和德国德累斯顿工业大学的黄幸博士，通讯作者为北京大学材料科学与工程学院窦锦虎。主要合作者包括北京大学物理学院王健教授、集成电路学院郑雨晴教授，西湖大学孙磊教授，中国科学院化学研究所徐伟研究员，中国海洋大学张晓明教授,南京大学黎建教授和中国石油大学邢颖教授。

该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委等项目大力支持。

图1. Cu₃BHT的晶体结构信息

图2. Cu₃BHT的电学输运与磁学信息

审稿人评价

该文章受到了3位审稿人的一致好评并建议发表，审稿人包括了相关领域的权威专家：专注磁性和电子学材料研究的西班牙瓦伦西亚大学Carlos Gómez-García教授, 配位聚合物电子学奠基人之一东京理科大学 Hiroshi Nishihara教授, 和超导、量子材料领域权威东京大学 Takasada Shibauchi教授。

Reviewer #1：该工作描述了一种非范德华二维结构Cu₃BHT的合成及其原子级精确晶体结构的解析，并展示了该材料在极低温下表现出的超导性。该化合物早已为人所知，但该研究首次揭示了其结构，并在单晶上进行了电导率测量，确认了其金属特性和在极低温下的超导转变。这些研究结果非常有趣，工作也完成得相当出色。因此，我认为这对从事导电配位聚合物研究的学者来说非常有价值。

Reviewer #2：该论文报道了首例配位聚合物超导体Cu-BHT的微米级单晶的成功生长。该材料的重要性不仅在于其作为罕见的表现出超导性的聚合物之一，还因为其展现了Kagome结构。近年来，诸如AV₃Sb₅（A=Cs, Rb, K）等Kagome金属和超导体中异常现象的重大进展，使得对Cu-BHT的研究更加重要。本研究揭示了Cu-BHT详细的晶体结构层间具有非范德华键，并在单晶中重新确认了其超导性，这一发现为深入理解该引人注目的材料的物理性质迈出了重要一步。

Reviewer #3：这篇论文报道了首次单晶结构分析的结果及其基于该结果的超导性研究成果，我认为该内容值得在《Nature Communications》上发表。

全文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53786-1.

窦锦虎教授曾在iCANX Talks 188期和iCANX Talks 190期分别担任研讨嘉宾。扫码可查看这两期的回放。

本文转载自高分子科技前沿。

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