[发明专利]钾掺杂菲分子晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机超导材料领域，具体涉及一种钾掺杂菲分子晶体及其制备方法。

背景技术

在一种基质材料中，掺入少量其他元素或化合物，以使基质材料产生特定的电学、磁学和光学性能，从而具有实际应用价值或特定用途。钾作为掺杂物，早在1991年就被用于掺杂C60以获得超导转变温度为18K的有机化合物超导体[Hebard,A.F.et al.Superconductivity at 18 K in potassium-doped C60.Nature 350,600–601(1991).]。2010年日本冈山大学Yoshihiro Kubozono及Ryoji Mitsuhashi等人用碱金属掺杂二萘品苯发现超导性[Mitsuhashi,R.et al.Superconductivity in alkali-metal-doped picene.Nature 464,76–79(2010).]，使碱金属掺杂芳香烃化合物的有机超导体引起了人们极大的关注；2011年以来中国科学家在碱金属掺杂菲[Wang,X.et al.Superconductivity at 5K in alkali-metal-doped phenanthrene.Nature Commun.2,507–513(2011).]和多苯环化合物[M.Xue,T.Cao,D.Wang,Y.Wu,H.Yang,X.Dong,J.He,F.Li,and G.F.Chen,Sci.Rep.2,389(2012).]中分别发现了5K和33K的超导电性。但是由他们的制备方法得到的钾掺杂菲的晶体材料的X射线衍射谱并没有出现相对未掺杂菲的峰位偏移，说明钾原子在菲中的掺杂并没有引起分子晶体结构的显著改变。

在实际运用中，此类掺杂物具有超导电性的潜能，可以用于信息通信、强稳恒磁场、工业加工、无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种更高超导分数的钾掺杂菲分子晶体的制备方法。

本发明一方面提供了一种钾掺杂菲分子晶体，所述菲分子晶体呈层状分布，钾原子分布在菲分子层内和层间，菲分子晶体c轴长度为1.28～1.30nm。

本发明第二方面提供了一种钾掺杂菲分子晶体的制备方法，其包括以下步骤：

A.将粉末状的菲与钾单质混合；

B.在真空度低于5x10^-4Pa、水和氧含量分别低于0.1ppm的条件下退火获得钾掺杂菲分子晶体，退火条件为160～210℃，降温速率低于3℃/小时。

本发明的有益效果是：一方面，本发明在高真空、无水无氧条件下退火，通过控制退火温度和降温速率，可以将钾原子有效地掺入到菲分子晶体层内和层间，增加了菲分子晶体c轴长度，获得很好的[001]取向生长的高质量晶体材料；第二方面，通过控制退火温度和降温速率，可以有效避免了氢化钾等杂质的生成，获得高纯度的钾掺杂菲分子晶体，提高材料的超导分数,即superconducting fraction；第三方面，通过将钾原子同时掺入到菲分子晶体层内和层间，可以将菲由半导体态转化为稳定的金属态，并提高超导临界温度。

附图说明

图1为(a)纯有机菲分子晶体，(b)两个钾原子在一个菲分子晶体中层内掺杂，和(c)三个钾原子在一个菲分子晶体中层内层间共掺的晶体结构图；

图2为实施例一得到样品的X射线衍射图；

图3为实施例二得到样品的X射线衍射图；

图4为实施例三得到样品的X射线衍射图。

具体实施方式

本发明一方面提供了一种钾掺杂菲分子晶体，所述菲分子晶体呈层状分布，钾原子分布在菲分子层内和层间，菲分子晶体c轴长度为1.28～1.30nm。

如图1所示，图1a为菲分子晶体结构示意图，其a轴长度为0.85nm，b轴长度为0.62nm，c轴长度为0.95nm；图1b为菲分子晶体在每一个菲分子层内掺入两个钾原子后的结构示意图，其a轴长度为0.86nm，b轴长度为0.65nm，c轴长度为0.96nm；图1c为菲分子晶体在每一个菲分子层内掺入两个钾原子，每两个菲分子层间掺入一个钾原子后的结构示意图，其a轴长度为0.88nm，b轴长度为0.68nm，c轴长度为1.29nm。层间掺杂钾原子后的菲分子晶体材料具有更高的超导分数和超导临界温度。

优选的，所述菲分子与钾原子摩尔比为1:2～4。进一步优选的，所述菲分子与钾原子摩尔比为1:3，每一个菲分子层内掺入两个钾原子，每两个菲分子层间掺入一个钾原子。