合成金属

合成金属（synthetic metals） 一类不含金属元素单质但具有金属导电性的化合物。目前研究较多的有聚乙炔、钙钛矿型氧化物、钨青铜等。聚乙炔柔曲性好，可挠性好，可用作高容量塑料电池的大面积电极材料。过渡金属一稀土类钙钛矿型氧化物可作燃料电池的氧电极，也可作汽车尾气处理的转化催化剂，LaNiO3对乙醇接触时电阻值发生变化，可作乙醇传感器。钨青铜是一类MxWO3型化合物，其中M为氢、碱金属、银等，可作电致变色显示器，也可作电池的阳极材料。

合成金属的定义最近接连不断地研制成功许多这样的化合物：它们完全不含金属元素但确具有金属的导电性。有的化合物是由碳，氢、氮、硫磺等构成的有机化合物分子性晶体，人们称它们为有机金属或分子性金属；有的化合物是仅由氮和硫磺组成的无机高分子化合物晶体。另外，还有一种化合物是含有水银，白金、镍等的有机或无机化合物。这些化合物统称为合成金属。

另一方面，正在大力研究TaS2、TiS2、NbSe3等许多过渡金属硫族化合物。乍一看来，人们也许会认为，这些化合物之间完全无关连，除金属的电传导性以外，没有任何共同之处。但是如果研究一下这些化合物的物性，即可发现它们的性质与普通的金属不同，不具有各向同性，而是在某一个特定方向的性质与其它方向比较有显著的差异。一类化合物仅在特定的结晶轴方向上具有很高的电导率，另外一类化合物在特定的结晶面内有很高的电导率。前者为一维（导电）材料，后者称为二维（导电）材料，而普通金属为三维（导电）材料。1

特征上述合成金属还有一个共同点，这就是均属于低维材料。虽然，称为低维材料，但实际上从外形来看是占据三维空间的物质。因此，从严格的定义来讲，低维材料是不存在的。这些材料被称为拟一维或低维物质，只是在被合成之后，通过测量才发现它们有三维物质中所没有的新现象。

从理论上已经预测到了这些现象。理论可与实验进行比较，而且两者具有密切关系的新现象正在继续得到证明．并且发现大多数的准一维化合物的电导率象金属一样随着温度的降低而提高，但在某一温度下电导率急剧下降，变成绝缘体。今天，把这种现象称之为培叶尔斯（Peierls）转移，但在1955年对准一维化合物等还完全不了解的情况下，在培叶尔斯著的固体物理教科书中，把这种现象作为同一原于等间隔并列的一维晶格变形问题加以论述。

一维化合物的特有现象是引起培叶尔斯转移，其结果，产生电荷密度及晶格变形合而为一的长周期起伏。这种起伏称为电荷密度波（CWD），现正通过X射线和中子散射等实验手段，研究其存在和特性。

结构最简单的有机高分子化合物聚乙炔，由于构成链的每个碳原子都有一个冗电子，所以与一维电子系近似，但实际合成的聚乙炔，是室温下就已产生培叶尔斯转移的绝缘体或半导体。在聚乙炔中添加少量受主或施主杂质（掺杂），就会引起电导率显著的增加而向金属转移；这种现象在发现的初期，一般认为聚乙炔按照与硅和锗等无机半导体一样的机埋增加电导率，最近有人指出：出现的反式聚乙炔，具有二个简并化结构，所以产生的非线型拓扑学激励也就是苏立顿，有助于改善导电性及其它性质。

尽管上述化合物具有合成金属及低维材料的两个共同点，但化合物种类繁多。1

合成金属的种类最近由于对合成金属研究的盛行，每年发现大量的具有各种特性的合成金属，因此对于合成金属的分类不是一成不变的。为了方便起见，安西等把其分成六类：（1）有机金属；（2）高分子络合物；（3）无机高分子；（4）白金络合物；（5）水银络合物；（6）层间化合物。下面对其中的（1）和（2）作一介绍。

（1）有机金属

具有特殊结晶结构的有机电荷转移络合物显示出金属的性质，被称为有机金属。

有机电荷转移络合物是容易供给电子的电子供给体分子与容易接受电子的电子受体分子之间由于电荷授受所生成的一种分子化合物。下图列出了代表性的电子供给体和受体分子结构。

（2）高分子络合物

高分子络合物是高分子带电体与配对离子组成的复合体。近年来，其数目急骤增
加·这类高分予络合物很多具有较好均等电懂，有的甚至与金冒差不多。代表性的导电
性高分子络合物有聚乙炔、聚苯、聚苯硫醚等。2

合成金属的结构和性质（1）结构

有机金属，一般采取异向性大，均结晶结构，这样的结构决定了有机金属的物理性质。其结构如图所示，为分离积层结构。

导电性高分子络合物几乎都是非晶体。添加AsF6的五元环具有如图所示的分子结构。

（2）导电性

有机金属的导电性具有异向性，其导电率δRT在102s**·**cm-1左右。

高分子导电体不保持上述异向性，其传导的电子沿着共轭体系移动。当令非晶体的高分子导电体的最大的导电率为103s**·cm-1，但如果使聚乙炔的通路成一个方向，并添加碘，则其导电率可以超过104s·cm-1（水银的导电率为104s·**cm-1）。

（3）反射率

合成金属的异向性也在反射率上很好地体现出来。作为有机金属的TTF-TCNQ对于平行于导电率大的结晶轴的偏光显示大的反射率。但对于垂直于此方向的偏光反射率小，并不依赖于波长。2

应用对于合成金属，不但希望它具有优异的特性，而且从经济性考虑，要求制造成本低，资源丰富。大多数金属元素是稀少的，即便资源丰富，但要制取纯金属，也需要花费很高的成本。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（及若干掺杂剂）组成的高分子，其性质与金属和半导体相同。这种材料，对于将来金属资源枯竭，具有极为重要的意义。因此，将其称之为合成金属也是非常合适的．另一方面，还有一类金属化合物，例如钨青铜，它既具有一般金属的性质，又兼有金属所没有的功能（例如离子扩散功能等），其应用价值是不能忽视的。这类金属化合物就是可以称之为合成金属的材料群。

由于合成金属的研究历史相对而言不算长，所以我们对合成金属在工业上的应用应有一个不断理解不断深化的过程。随着科学技术的进步，我们对电荷载体在合成金属内流动的本质将有更深刻的了解，从而可推动我们对高导电的卟啉类化合物在生物体系内作用的了解。TCNQ良好的接受电子的能力，已被设计用来研究极化头在某些磷类脂（phospholipids）内跃迁、测定与表征金属氧化物用作催化剂的Donor性能、测定表面活性剂的临界胶束浓度等等。如果合成金属的超导温度能够达到比目前无机化合物还要高的温度，那么它们在工业上的应用前景将是十分宽阔的，它们将被用来制造高效的电动发动机、功率非常强大的电磁元件、输出热量极小的超级计算机的功能元件等等。总而言之，合成金属必将有一个美好的未来。33

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学