近日，Nat. Commun.在线发表了北京大学窦锦虎特聘研究员课题组的研究论文，题目为「Synthesis and structure of a non-van-der-Waals two-dimensional coordination polymer with superconductivity」，论文的第一作者为Zhichao Pan和Xing Huang。

二维共轭配位聚合物（2D c-CPs）和共轭金属-有机框架（2D c-MOFs）正在成为一种新型的电子材料。它们是具有二维周期性网络结构的功能材料，由金属中心和有机配体通过配位键自组装形成。独特的二维π-d共轭电子结构赋予了它们优异的电荷输运性质，这挑战了CPs和MOFs是不良电子导体的传统观念。二维c-CPs的优异电荷输运性质和独特的可编程拓扑和组成为探索各种奇特的凝聚态物理提供了丰富的框架，包括拓扑绝缘体、自旋晶格、量子自旋液体、Weyl半金属、超导性等。

与电荷转移复杂有机超导体不同，二维c-MOFs通过面内π-d相互作用形成导电通路，涉及贯穿键和扩展共轭机制。金属离子的引入促进了面内π-d导电通道的形成，潜在地放大了电子-电子相互作用，从而促进了超导性。Cu-BHT是CPs和MOFs广阔领域中唯一的超导体，但作为粉末样品存在，没有精确的原子结构表征。颗粒或多晶薄膜易受杂质、随机晶体取向、晶界和缺陷等外部因素的影响，使Cu₃BHT的精确原子尺度结构测定复杂化，并阻碍了对其本征电学特性和超导行为的全面理解。Cu₃BHT缺乏原子分辨率的晶体结构也阻碍了对其超导性质的理论研究。克服这些挑战对于建立推动新型CPs和MOFs基超导体发展所需的理论基础至关重要。

在此研究中，作者通过液-液界面反应实现了Cu₃BHT的微晶阵列，在Cu-BHT材料中产生了最高的结晶度和最大的单晶。高质量的单晶允许原子精确的结构测定，这揭示了一种具有非范德华相互作用的准二维kagome结构，其特征是通过Cu-S共价键介导的鲁棒层间相互作用。这一发现与之前假设的石墨状层状结构形成鲜明对比，并首次证明了Cu₃BHT的精确原子排列。制备单晶器件以揭示Cu₃BHT的层间电荷输运特性。Cu₃BHT表现出本征的金属行为，在室温下电导率达到103 S/cm，在2 K下电导率达到104 S/cm。最值得注意的是，Cu₃BHT单晶器件在0.25 K下表现出超导转变。此外，理论计算进一步阐明了Cu₃BHT中的超导机制，这归因于其独特的kagome结构和层间Cu-S键引起电子-声子耦合和电子-电子相互作用的增强。Cu₃BHT电学性质起源的清晰说明代表了c-CPs和MOFs领域的重大进步，为基于功能性c-CPs的量子材料和器件的设计和工程提供了新的见解。

图1 | Cu₃BHT的单晶结构。

图2 | Cu₃BHT的电学性能。

图3 | Cu₃BHT的超导性和磁性。

图4 | Cu₃BHT的电子能带结构和声子谱。

论文链接：

Pan, Z., Huang, X., Fan, Y. et al. Synthesis and structure of a non-van-der-Waals two-dimensional coordination polymer with superconductivity. Nat. Commun., 2024, 15, 9342. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53786-1

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