J. Phys. France 38, 931-948 (1977)
DOI: 10.1051/jphys:01977003808093100

Electronic properties of TTF-TCNQ : an NMR approach

G. Soda¹, D. Jerome¹, M. Weger¹, J. Alizon², J. Gallice², H. Robert², J.M. Fabre³ et L. Giral<sup>3

1</sup>  Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France
²  LERM, Université de Clermont-Ferrand, 63170 Aubière, France
³  Laboratoire de Chimie Organique Structurale, USTL, 34060 Montpellier, France

Abstract
This paper presents the frequency dependance of the proton spin-lattice relaxation time T1 at several temperatures and pressures in TTF-TCNQ(D4) and TTF(D4)-TCNQ. It is shown that only backward (q = 2 kF) and forward (q = 0) scatterings contribute to the nuclear relaxation induced by the modulation of the hyperfine field in these one-dimensional conductors. At medium fields, H 0 ~ 30 kOe, the frequency dependence of T1 originates from the diffuse character of the spin density wave excitations around q = 0, leading to T1-1 αH0- 1/2 . The enhancement of T1 -1, is at low fields, limited by the existence of a finite interchain coupling (tunnelling type). We find, within a RPA analysis, close correlations between the pressure and temperature dependences of the spin excitations diffusion constant and the collision time derived from the longitudinal conductivity. The interpretation of the NMR data in terms of a Hubbard model excludes both big U and small U pictures. However, we point out the importance of the electron-electron interactions on the relaxation rate of TTF-TCNQ. We derive a ratio U/4 t II ~ 0.9 for the TCNQ chain. We also assume that besides charge density waves fluctuations existing between 300 K and the phase transition at 53 K, electron-electron interactions make an important contribution to the temperature dependence of the spin susceptibility. Finally, we give a unified description of quasi one dimensional conductors in which the various systems are classified according to the transverse tunnelling coupling and the electron lifetime. It follows from this description that for TTF-TCNQ and its derivatives, transverse couplings (tunnelling and Coulomb) are large enough to justify the use of a mean-field theory.

Résumé
Cet article contient une étude de la dépendance en fréquence du temps de relaxation spin-réseau des protons dans TTF-TCNQ(D4) et TTF(D 4)-TCNQ à plusieurs températures et pressions. Il est démontré que dans les conducteurs quasi unidimensionnels seules les diffusions en arrière (q = 2 kF) et en avant (q = 0) contribuent à la relaxation nucléaire induite par la modulation du champ hyperfin. Aux champs intermédiaires, H0~ 30 kOe, la dépendance en fréquence du T1, T1 -1 αH0 -1/2, provient du caractère diffus des excitations de spin au voisinage de q = 0. Vers les champs faibles l'augmentation de T1-1 est limitée par l'existence d'un couplage interchaine de grandeur finie (du type tunnel). Au moyen d'une analyse basée sur l'approximation RPA, nous avons trouvé d'étroites corrélations entre dépendances en pression et température de la constante de diffusion des excitations de spin et du temps de collision électronique obtenu par la conductivité longitudinale. L'interprétation des résultats de RMN au moyen du modèle de Hubbard nous permet d'exclure l'éventualité de description grand U et petit U. Toutefois l'importance des interactions électron-électron sur la relaxation de TTF-TCNQ est démontrée. Nous déduisons une valeur de 0,9 pour le rapport U/4 t ll de la chaîne TCNQ. Nous pouvons aussi admettre que les interactions électron-électron contribuent à la dépendance en température de la susceptibilité de spin entre 300 et 53 K en plus de la contribution due aux fluctuations de charges. Enfin nous présentons une description unifiée pour les conducteurs quasi unidimensionnels dans laquelle les divers composés sont classés suivant leur couplage transverse tunnel et leur temps de collision électronique. Nous déduisons de cette description que les couplages tunnels et Coulombiens sont suffisamment forts dans TTF-TCNQ et les composés dérivés pour justifier l'utilisation de la théorie du champ moyen.

PACS
7145 - Collective effects.
7660E - Relaxation effects.

Key words
crystal hyperfine field interactions -- Hubbard model -- nuclear spin lattice relaxation -- one dimensional conductivity -- organic compounds -- proton magnetic resonance -- RPA calculations -- spin density waves