Несмотря на многочисленные исследования электронной структуры  С60, сведения об области энергий вокруг уровня Ферми остаются противоречивыми. Зонная структура С60 в ГЦК-решетке сходна со строением энергетических уровней изолированного кластера С60.  Для зазора HOMO—LUMO изолированной молекулы С60 рассчитано значение 1.9 эВ. В конденсированном состоянии этот зазор уменьшается из-за перекрытия волновых функций, связанного с соседними молекулами. Наблюдается дисперсия в энергии пяти вычисленныхвалентных зон hu и трех вычисленных зон проводимости

t1u. Вычисления показывают, что фуллерит С60 в ГЦК-решетке представляет собой прямозонный полупроводник с минимумом энергетической щели в точке X зоны Бриллюэна. Расчеты в приближении квазичастиц предсказывают величину щели 2.15 эВ, метод локальной плотности дает явно заниженное значение 1.5 эВ. Наиболее надежным значением для энергетического расстояния между серединами зон HOMO и LUMO можно считать 3.36 эВ при теоретическом значении 3 эВ. Ионизационный потециал равен 7.62 эВ, сродство к электрону 2.65, энергия низшего триплетного состояния 1.7 эВ. Работа выхода для аморфных пленок С60 определена как 4.53 эВ. Кулоновское взаимодействие между молекулами составляет

U=1.6 эВ. Такое значение U должно приводить к возникновению экситонов Френкеля в районе 1.5-2 эВ. Возникновение экситонов Френкеля и экситонов с переносом заряда, характеризующихся тем ,что возбужденный электрон находится на одной молекуле, а дырка на другой.

4. Кристаллические модификации фуллеритов

4.1. Ориентационные структуры

Равновесная твердая фаза С60 при комнатной температуре представляет собой кристаллы с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК), с постоянной а = 1.417 нм, в которой отдельные молекулы удерживаются силами Ван-дер-Ваальса. Элементарная ячейка содержит 8 тетраэдрических пустот и 4 октаэдрические пустоты,  каждая из которых окружена соответственно 4 и 6 молекулами С60. Расстояние между ближайшими соседними молекулами равно 1.002 нм.

Координационное число молекул фуллерена в ГЦК-фазе равно 12.

Можно выделить как минимум 4 различных ориентационных состояния фуллерита С60: стекольная фаза, простая кубическая решетка, фаза свободного вращения (чаще всего гранецентрирован-ная кубическая, однако встречались сообщения о гексагональной плотной упаковке) и полимеризованная фаза.

Считается, что при температурах выше 249 — 260 К молекулы быстро вращаются, имеют квазисферическую форму и образуют ГЦК-решетку. По данным ЯМР, частота вращения при комнатной температуре составляет 10^12 с^-1. Но даже в этой фазе вращение не полностью свободно, поскольку существует сильная интермолекулярная ориентационная корреляция. Локализация осуществляется за счет более богатой электронами связи С=С, которая примыкает к центру пентагона соседней молекулы, имеющей более низкую электронную плоскость. Вблизи температуры ориентационного перехода размер коррелированных кластеров достигает 4 нм. При охлаждении фуллерита в области температур 250 — 260 К сходит фазовый переход первого рода: кристалл переходит в простую примитивную кубическую решетку (ПК) с 4 молекулами

в элементарной ячейке. Переход не связан с перемещением молекул, а вызван лишь взаимным упорядочением. Вращательное движение сменяется скачкообразным и либрационным движением около равновесной ориентации. При температуре 90 К скачки замерзают и происходит переход типа стеклования. Ориентация молекул влияет на такие черты электронной структуры, как вырождение, дисперсия, ширина зон, положение экстремумов валентной зоны и зоны проводимости.

Упорядочение в простой кубической фазе не является полным, поскольку возможны две ориентации молекул, в которых молекулы повернуты на 38 или 98° относительно оси [111]. Насыщенные электронами межпентагонные связи могут быть направлены на бедные электронами грани пентагонов (Р-ориентация) или гексагонов (H-ориентация). Эти две ориентации почти одинаковы энергетически. Однако они имеют различную постоянную решетки. Этим объясняется маленький коэффициент термического расширения фуллерита: расширение сопровождается реориентацией. Все перечисленные фазы претерпевают огромные изменения при приложении давления. Давление меняет расстояние и, следовательно, интермолекулярные взаимодействия. Изучение влияния давления на ориентационное поведение С60 выявило три основных момента:

1) возрастание внешнего давления замедляет вращение молекул и увеличивает вращательную анизотропию, следовательно, давление индуцирует переход в ПК-фазу; температура фазового перехода

ПК—ГЦК увеличивается линейно с наклоном линии смены фаз dT/dP = 162 К/ГПа.

2) давление существенно уменьшает ориентационные флуктуации в упорядоченной низкотемпературной ПК-фазе;

3) предполагается существование двух (а не одного) ориентационных переходов в области 247 К.

В промежутке между двумя фазовыми переходами сосуществуют две фазы: Н и Р. При нормальных условиях предпочтительна пентагонная ориентация, но гексагенная ориентация требует меньшего объема и становится предпочтительнее при приложении внешнего давления. Соотношение между Р- и Н-ориентациями описывается уравнением:

f(T)= 1/[1 +ехр(Д/kT)].

Р-ориентация имеет энергию на 40 мэВ меньше, чем H, барьер между двумя минимумами составляет 130 мэВ на молекулу.

Рисунок 4. Полная энергия на молекулу как функция угла поворота в структуре Pm3m для двух различных постоянных решетки: a=1.404 нм соответствует атмосферному давлению, а=1.36 – внешнему давлению 1.5Гпа.

На рисунке 4 показаны расчетные зависимости полной энергии фуллерита от ориентации молекул. Более глубокий минимум соответствует Р-ориентации. Те же расчеты, выполненные для постоянной решетки а = 1.36 нм, что соответствует давлению 1.5 ГПа, демонстрируют, что обе ориентации равновероятны. При 260 К пентагонная ориентация составляет 60 %, а около 90 К 84 %. Прикладывая давление, можно создать полностью ориентированную фазу С60, несмотря на то что экспоненциальный характер распределения в принципе запрещает существование какой-либо полностью ориентированной фазы и тем более какой-либо линии на фазовой диаграмме. Тем не менее в эксперименте у функции P/H=f(T) после значения 80/20 происходит скачок к распределению 98/2. Причина скачкообразного изменения фазы может быть следующая. Потенциал молекулярной реориентации должен учитывать не только вращение одной молекулы, но и когерентное коллективное движение всех молекул. В первом случае отенциал будет иметь один минимум: полностью ориентированное состояние. Разумно предположить, что кристалл состоит из большого числа Р- или Н- ориентированных микродоменов, а не из смеси беспорядочно ориентированных молекул. Далее, логично ожидать, что переключение в полностью ориентированную фазу произойдет, когда ориентированы 11 молекул из 12. Кроме того, можно предполагать, что однажды сформированная Н-фаза будет  сохранять стабильность до фазового перехода.

Ниже 90 К все молекулярные реориентации замерзают, но, по видимому, некоторый ориентационный беспорядок остается, что приводит к наблюдаемому переходу типа стеклования вблизи 90 К.

4.2. Понятие об интеркаляции в фуллеритах

При внедрении атомов примеси в фуллеритовую матрицу могут происходить два процесса. В первом случае атомы примеси распределяются в кристалле в виде отдельных кластеров. Для фуллеренов характерно другое явление, а именно интерполяция атомов примеси в решетку фуллерита. Интеркаляционные соединения представляют собой материал, в котором атомы или молекулы примеси захвачены между слоями кристаллической решетки. Формально химическая связь между интеркалянтом и матрицей отсутствует. Процессы интеркаляции широко изучаются, например, в графите, где атомы примеси внедряются в пространство между плоскостями решетки графита, не деформируя саму структуру кристалла. Интеркаляция атомов примеси в решетку фуллерена происходит  несколько иначе. Фуллерены представляют собой трехмерный тип интеркаляционных соединений. Диаметр молекулы С60 велик по сравнению с размерами большинства элементов периодической таблицы. Следствием является очень большая для кристаллов, состоящих из атомов одного сорта, постоянная решетки (а = 1.42 нм; для сравнения в кремнии а = 0.54 нм, в германии а = 0.57 нм); для высших фуллеренов а еще больше. Из-за этого в межмолекулярные пустоты кристалла С60 могут внедряться, не деформируя решетку атомы примеси. Тем не менее не все элементы могут формировать объемные интеркаляционные соединения. В основном это щелочные, щелочноземельные и редкоземельные металлы. Решающим фактором при этом является сумма работ выхода металла Еf и энергии когезии Еkog. Если эта сумма меньше уровня низшей незаполненной молекулярной орбитали Elumo, то энергия интеркаляции Еинт = Elumo - Еkor - Ef положительна и создание трехмерных интеркаляционных соединений возможно. При интеркаляции примеси в фуллереновую матрицу могут создаваться структуры, представленные на рисунке 5. Интеркаляция может существенно влиять на физические и электронные свойства материала. Процесс интеркаляции характеризуется большим переносом заряда от атома примеси к молекуле С60 (в случае легирования фуллеренов щелочными металлами происходит полный перенос заряда к С60 — следствие низкого потенциала ионизации атомов щелочных металлов). При этом велик интеграл перекрытия волновых функций атома примеси и С60. При интеркаляции будет повышаться проводимость за счет атомов, поставляющих свои пи-электроны, причем проводимость будет резко зависеть от того, какие позиции заняты этими атомами. В случае щелочных металлов этот эффект проявляется очень сильно. Электрические свойства таких композитных соединений зависят от количества атомов щелочных металлов, приходящихся на элементарную ячейку С60. На каждую молекулу имеется 1 окта-эдрическая и 2 тетраэдрические пустоты. С60 имеет большое сродство к электрону, щелочные металлы легко отдают электроны. 

Экспментальные данные следующие:

1) рамановская и  фотоэлектронная спектроскопия показывает, что заряд переносится от щелочных металлов к фулерену;

2) химический анализ показывает, что для достижения наивысшей проводимости стехиометрия A3C60;

3) ритвальдский анализ данных рентгеновской дифракции показывает, что решетка имеет структуру ГЦК.

Рисунок 5. Строение элементарной ячейки интеркалированного фуллерена при различных заполнениях пустот решетки.

Иными словами, при x = 3 все пустоты ГЦК-решетки заполнены и каждая молекула С60 приняла 3 электрона в зону проводимости t1u. Создалась наполовину заполненная зона. При увеличении количества металла структура перейдет в объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) фазу и далее в кубическую (ОЦК). В последнем случае зона будет заполнена полностью, что соответствует диэлектрику. Так же как в случае графита, работает модель жестких зон. Атомы металла играют роль доноров, а валентная зона и зона проводимости сохраняют свой характер. Экспериментально показано, что в соединении АxС60 при малых x наблюдается падение удельного сопротивления; при увеличении x до 3 свойства материала становятся все более близкими к металлическим. Некоторые соединения А3С60 проявляют сверхпроводящие свойства. Далее при росте x удельное сопротивление опять увеличивается, и А6С60 фактически становится диэлектриком.  

5. Оптические свойства фуллеренов

В общих чертах оптические свойства фуллеренов С60 представлены на рис. 6. Спектр инфракрасного поглощения содержит 4 «исторические» линии: по ним был впервые идентифицирован фуллерен в работе Крэчмера. Спектры видимой и УФ-областей содержат пики, соответствующие разрешенным оптическим переходам,  а также экситонам. Коллективные возбуждения приводят к существованию двух типов плазмонов: пи и пи + сигма, соответствующих возбуждениям п-электронов или всей электронной системы в целом. Спектры комбинационного рассеяния содержат 2 дыхательные Аg-моды, соответствующие симметричным колебаниям всей молекулы и пентагонов, и 8 Hg-мод. В первом приближении УФ- и видимый спектры поглощения фуллеритов сохраняют характерные черты молекул в газовой фазе или в растворе.

Рисунок 6. Спектральная зависимость действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости пленок С60 при комнатной температуре.

В этом смысле фуллериты — типичные молекулярные кристаллы. Однако понижение симметрии и наличие кристаллического поля в фуллеритах оказывают влияние на правила отбора и на энергии межмолекулярных возбуждений (сдвиг и расщепление вырожденных электронных уровней). Оптика фуллеренов в одинаковой степени зависит как от внутримолекулярных,так и от межмолекулярных электронных процессов. В многочисленных работах начиная с 1991 г. измерялись спектры оптического поглощения, эллипсометрические спектры пленок и монокристаллов. В целом спектры оптического поглощения фуллереновых пленок можно описать, пользуясь понятиями, привычными

для аморфных полупроводников. Из положения края поглощения можно определить величину оптической запрещенной зоны, которая составляет 1.8—1.9 эВ для С60, 1.66 эВ для С70. Наблюдаются плавно спадающие зависимости в области энергий ниже фундаментальных переходов — так называемый «хвост» Урбаха, а также подзонное поглощение на дефектах. Измерения поглощения в видимой области в зависимости от температуры, гидростатического давления и магнитного поля показали, что структуры в области края поглощения обязаны своим происхождением экситонам.

Характерные области края поглощения отмечены буквами А, С на рис. 8. В области А оптическая зона может быть найдена из уравнения:

a(E)hv ~(Е-Е0),

значения Е0 = 1.7 и 1.65 эВ были получены соответственно температур измерения 77 и 293 К.

Рисунок 7. Зависимость коэффициента поглощения пленкой С60 от энергии кванта в области края поглощения.

В области В край поглощения хорошо описывается экспоненциальной зависимостью Урбаха

а(Е)~a0ехр (Е-Е1)/Еu

где параметр Урбаха Еu составляет 30 и 37 мэВ для температур 77 и 293 К соответственно. Обычно присутствие урбаховского хвоста поглощения связывают со структурным несовершенством образцов, с наличием большого количества дефектов, вызывающих появление хвостов плотности состояний в запрещенной зоне. Урбаховский хвост в поглощении кристаллов обычно меньше, чем на пленках, однако сообщалось и об обратном. Это позволяет предположить, что причина появления хвостов поглощения может быть не связана со структурными несовершенствами. В области С при обеих температурах наблюдалось субподзонное поглощение на примесях. Край оптического поглощения и параметр хвоста Урбаха в области Т < 150 К не зависят от температуры, медленно меняются в области 150 < Т < 260 К и быстро при Т > 260 К. Подзонное поглощение увеличивается при длительной экспозиции пленок на воздухе, однако на наклоне хвоста Урбаха это не отражается. Следовательно, хвост Урбаха является не следствием интеркаляции кислорода, а свойством, присущим самому материалу С60. Температурная зависимость объясняется с точки зрения корреляции между плотностью электронных состояний, ориентационным разупорядочением молекул и структурным фазовым переходом. При высоких температурах, когда молекулы С60 приобретают возможность свободного вращения, активируются вращательные, либрационные и межмолекулярные колебательные степени свободы. Кроме того, активируются дополнительные фононные моды, появляющиеся вследствие флуктуации межмолекулярных состояний. В фазе свободного вращения усиливаются электрон-фононные взаимодействия. Вклад как термического, так и структурного разупорядочения в параметр хвоста Урбаха приводит к его быстрому росту при температуре выше 260 К.Схема электронных уровней С60 в твердотельном и молекулярном состояниях приведена на рис. 8.

Страницы: 1, 2, 3, 4