Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Инженерной физики и Радиоэлектроники

Кафедра: «Приборостроение и наноэлектроника»

РЕФЕРАТ

Фуллерены

Преподаватель __________ Томилин В.И

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент РФ 09-13 __________ Маслов М.А.

код (номер) группы подпись, дата инициалы, фамилия

Изм.	Лист	№ докум.	Подп.	Дата	СФУ ИИФиРЭ – 210406.65 050900905
Разраб.		Маслов М.А			Фуллерены	Лит.	Лист.	Листов.
Пров.		Томилин В.И					2	36
						Приборостроение и наноэлектроники
Н.контр.
Утв.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...3

1. Основные сведения о симметрии фуллеренов………………….....4

2. Электронная структура С60……………………………………………….7

3. Методы получения и разделения фуллеренов..........................................10

4. Кристаллические модификации фуллеритов……………………………12

4.1 Ориентационные структуры……………………………..........12

4.2 Понятие о интеркаляции в фуллеритах………………………15

5. Оптические свойства фуллеренов……………………………………......17

6. Проводимость фуллеренов……………………………………………......21

6.1 Проводимость и структура пленок……………………………21

6.2 Модели проводимости…………………………………............24

6.3 Влияние кислорода на проводимость…………………............25

7. Полимеризация фуллеренов. Усиление взаимодействиия между молекулами……………………………………………………………….......................27

8. Перспективы практического использования…………………………….29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………................35

Введение

Электрооптические материалы – технические природные и синтетические материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Оптические материалы используют для изготовления элементов оптических систем, работающих в разных областях спектра электромагнитных волн.

К примерам таких материалов можно отнести: фуллерены, пористые структуры различных веществ (к примеру Si), жидкие кристаллы, оксид Ge, тетрахлорид Ge, GaAs и т.д. Оптоэлектроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно – технических направлений в связи с резким расширением области применения и способностью решать задачи нетрадиционными методами. В связи с широким кругом применений в системах получения информации, ее обработки, хранения, передачи и отображения, а также разнообразием используемых материалов встает вопрос о целой гамме оптоэлектронных технологий, включая индикаторные системы, формирователи сигналов изображения, волоконно – оптические линии передачи, преобразователи солнечной энергии, оптическую вычислительную технику.

Интереснейшим материалов в оптоэлектронике являются фуллерены.

Фуллерены – устойчивые многоатомные кластеры углерода от нескольких десятков и выше были открыты в 1985 г. группой исследователей,которые при изучении масс-спектров паров графита наблюдали пики, соответствующие массам 720 и 840 а. е. [1]. Исследователи назвали данные молекулы, представляющие собой новую форму углерода, фуллеренами – по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, использующего своеобразную структуру, напоминающую футбольный мяч, в своих строительных композициях. Поэтому в зарубежных научных публикациях часто используется термин “buckminsterfullerene” (пишется одним словом). В 1996 г. первооткрывателям фуллеренов была присуждена Нобелевская премия по химии.

При облучении лазером молекулы фуллерена переходят в возбужденное состояние. За счет существенного увеличения поглощения молекул фуллерена с возбужденного состояния, фуллерены способны поглощать лазерное излучение большой интенсивности. Коэффициент поглощения этих молекул увеличивается с ростом интенсивности излучения, что дает возможность использовать данные системы в лазерной физике и оптоэлектронике, поскольку позволяет создавать нелинейные абсорберы (поглотители, ограничители, фильтры) широко спектрального и энергетического диапазонов.

1. Основные сведения о симметрии фуллеренов

Каркас молекулы С₆₀ состоит из 12 правильных пятиугольников (пентагонов) и 20 немного искаженных шестиугольников (гексагонов). Диаметр молекулы составляет 0.71 нм. Группа симметрии икосаэдра состоит из 120 элементов симметрии, включая 6 осей симметрии пятого порядка (через центры пентагонов), 10 осей третьего порядка (через центры гексагонов) и 15 осей второго порядка (перпендикулярно ребру между гексагонами). В икосаэдрической структуре молекулы С₆₀ все атомы углерода эквивалентны, каждый атом принадлежит двум шестиугольникам и одному пятиугольнику и связан с ближайшими соседями двойной и двумя одиночными ковалентными связями. Непланарность молекул приводит к сильным напряжениям, вследствие чего фуллерены термодинамически менее стабильны, чем графит. Энергия на­пряжения забирает 80 % теплоты формирования.

Рисунок1. Молекула фуллерена С60 в стандартных ориентациях А и В

относительно кристаллографических осей.

Рисунок 1а. Основные типы молекул фуллеренов

Рисунок 1б. Структура “Нить жемчуга” на основе С60

Для рассмотрения вопроса о длине связей в молекуле фуллерена вспомним понятие гибридизации атомных орбит. Электронная оболочка атома углерода содержит четыре валентных электрона конфигурации s²p². Валентные электроны атома находятся на разных орбитах, отличающихся друг от друга распределением электронного облака в пространстве. На основании этого можно было бы предположить наличие связей, не равноценных ни по направлению, ни по прочности: p-орбиты должны создавать более прочные связи, чем s-орбиты. Однако, по данным, например, рентгеноструктурного анализа, молекула ВСl3(хлорид бора) содержит совершенно эквивалентные связи. Для объяснения подобных фактов было предположено, что валентные электроны формируют связи не за счет чистых s,p,d,f-орбит, а за счет смешанных, гибридных орбит. При гибридизации обеспечивается гораздо большее перекрытие электронных облаков вдоль линии, соединяющей центры атомов, чем в случае негибридизированных волновых функций. Благодаря этому происходит понижение энергии всей молекулы и упрочнение связей. При sp³-гибридизации углам между направлениями, вдоль которых гибридные волновые функции имеют максимумы, соответствуют тетраэдрические значения 109°28'. Гибридизация d²sp³ дает октаэдр. В конфигурации алмаза каждый из четырех валентных электронов углерода принадлежит тетрагонально направленной sp³-гибридной орбитали, которая создает прочную сигма-связь с соседним атомом. В случае графита каждый из трех валентных электронов принадлежит тригонально направленной sp2-гибридной орбитали, участвующей в формировании сильных внутреслойных сигма-связей, а четвертый электрон находится на орбитали pп, направленной перпендикулярно сигма-плоскости. Эта орбиталь формирует слабые, делокализованные пи-связи со своими соседями, при этом пи-связь часто называют ненасыщенной связью. Для графита расстояние между атомами в узлах гексагональной сетки равно 0.142 нм, а между сетками (слоями) 0.335 нм. Для простоты принято говорить, что углеродные атомы фуллереновой клетки имеют sp²-гибридизацию. Однако это не совсем так, поскольку это возможно только для планарных структур, а отклонение приводит к частичной регибридизации. Для С60 примешивание сигма-связей приводит к состоянию sp². Связи, которыми соединяются 2 гексагона ((6,6)-связь, 0.139 нм), двойные и они короче, чем одиночные связи на границе пентагона и гексагона ((5,6)-связь, 0.145 нм). Различия в длине связей ослабевают для С60^-6 и исчезают для С60^-12. Для К6С60 длины связей равны 0.142 и 0.145 нм, в то время как для Li12С60 (6,6)-связь становится длиннее (5,6)-связи: 0.145 и 0.144 нм. Следовательно, причина чередования связей — в заселенности молекулярных орбиталей.