Фуллерены

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.

Ниболее сильные переходы в оптическом спектре — зоны D, E + F и G, относящиеся соответственно к дипольно-разрешенным оптическим переходам hg, gg -> t1u, hu -> hg, hg, gg -> t2u. Зона  D,   отвечающая второму и третьему разрешенным переходам, существенно уменьшается в легированных фуллеренах из-за заполнения наинизшего состояния зоны проводимости, созданной молекулярными состояниями t1u. Молекулярная зона F расщепляется в твердом теле на F1 и F2 вследствие расщепления пятикратно вырожденных уровней hu (hg) на трехкратно и двукратно вырожденные уровни tu (tg), au (ag). Идентификация двух низших переходов hu -> t1u и hu -> t1g более сложна. Молекулярное состояние t1ghu^-1 представляет собой набор электронно-дырочных возбужденных состояний симметрии T1u, T2u, Hu, Gu.. Нижний разрешенный переход hu ->  t1g в возбужденное состояние Т1u должен располагаться около 3 эВ, причем сила осциллятора должна составлять около 3 % от перехода при 3.5 эВ. В дополнение к этому переходу в этой же энергетической области должны наблюдаться фононно-индуцированные переходы сравнительной силы в возбужденные состояния Т2u, Нu, Gu, составляющие группу В. Группа А отнесена к электронно-дырочному состоянию t1ghu^-1, которое запрещено по четности в изолированной молекуле, но становится частично разрешенным из-за расщепления уровней. Группа гамма происходит от запрещенного молекулярного перехода hu -> t1u.. Эти переходы проявляются вследствие возбуждения нечетной колебательной моды, и высшие электронные состояния этой группы должны зависеть от ян-теллеровского искажения.

Рисунок 8. Схема энергетических уровней и возможных оптических переходов в пленках и растворах С60.

6. Проводимость.

При анализе экспериментальных данных по проводимости фуллеренов можно выделить следующие основные особенности: наблюдается полупроводниковая проводимость n-типа; значения активационных энергий Еа температурной зависимости проводимости сигма = сигма exp (-Eа/kT) существенно ниже значений половины запрещенной зоны и достигают их лишь при высоких температурах; при взаимодействии фуллеритовых пленок с кислородом проводимость падает на несколько порядков; проводимость существенно зависит от структуры пленок и у кристаллического материала выше, чем у аморфного.

Вследствие высоких значений сопротивления фуллерита в большинстве своем присутствуют измерения для температур от комнатной и выше (см. рис. 9). Для поликристаллических пленок значения активационной энергии и темновой проводимости при комнатной температуре составляют соответственно 0.3— 0.6 эВ и 10^-6 - 10^-8 (Ом.см)^-1. Для аморфных пленок эти значения лежат в интервале 0.5 - 1.1 эВ и 10^-7 - 10^-144 (Ом.см)^-1.

Рисунок 9. Температурная зависимость проводимости пленок С60. Стрелки показываю изменения направления температуры со скоростью 0.2 град/мин.

            Сведения о транспортных параметрах фуллеренов довольно скудны. Из измерений фототока получены дрейфовые подвижности электронов 1.3*10^4 см2/(В*с) и дырок 2*10^-4 см2/(В*с), а также время рекомбинации 1.7*10^-6 с. Транспорные механизмы в пленках C60 изучались также с помощью эффекта поля. Из результатов видно, что С60 — полупроводник n-типа. В характеристиках полевых транзисторов наблюдается сильное расширение n-канала при пороговом значении напряжения 2 эВ. При комнатной температуре полевая подвижность и концентрация носителей заряда определены как 4.8*10^-5 см2/(В*с) и 5.6*10^14 см-3 соответственно. Наибольшее значение подвижности зарядов на границе раздела фуллерен—диэлектрик 2 *10^-3 см2/(В • с), причем значения сильно меняются от образца к образцу. Комплексная проводимость пленок С60 и С70 измерялась в. диапазоне частот 10—10^6 Гц при температурах 10—750 К. Высокочастотная диэлектрическая проницаемость e определена как 2.6 для С60 и 4.6 для С70. В случае С70наблюдалось туннелирование поляронов малого радиуса.

            Проводимость и структура пленок. Существует сильная корреляция между кристаллической структурой пленок С60 и их оптическими и электрическими свойствами. Но найти этому объясне­ние не так просто. Поскольку молекулы связаны ван-дер-ваальсвыми связями, сама по себе дефектная кристаллическая структура не приводит к появлению оборванных связей. Требуется наруше­ние целостности самой молекулы. Однако известно, что с увеличе­нием кристалличности пленок увеличивается их проводимость, причем активационная энергия падает. Неоднократно отмеча­лось, что чем выше температура подложки, на которую осажда­лись фуллеритовые пленки (что способствует их структурному совершенству), тем выше проводимость. Отжиг в динамическом вакууме сильно влияет на проводи­мость пленок C60, имеющих беспорядочную доменную структуру. У таких пленок проводимость при комнатной температуре со­ставляет 6 • 10^-10(Ом • см)^-1. В температурной зависимости про­водимости при температурах выше 423 К наблюдается активационное поведение, причем энергия активации растет с увеличением толщины пленки (0.8 и 1.0 эВ для разных толщин), но находится в строгом соответствии с величиной запрещенной зоны, полученной из спектров поглощения (1.63 и 2.08 эВ). При более низких температурах доминирует неактивационное поведение, причем его доля уменьшается вследствие отжига. Рентгенофазовый ана­лиз показал, что при комнатной температуре ГЦК -фаза в плен­ках соседствует с гексагональной плотной упаковкой (ГПУ). При измерениях временной зависимости проводимости пленок при постоянной повышенной температуре обнаружены снижение со­держания ГПУ-фазы и увеличение проводимости. Отжиг пленок при высоких температурах приводит к их упорядочению, умень­шению дефектных состояний в зоне и увеличению энергии акти­вации.

            Проводимость монокристалла на переменном токе пропорцио­нальна температуре и частоте при температурах измерения ниже 150 К, что характерно для прыжков в локализованных состояния вблизи уровня Ферми. Выше 200 К наблюдаются быстрое возрастание проводимости и переход к термически активированному типу с энергиями активации 0.389 и 0.104 эВ выше и ниже некоторой температурной точки, что объясняется сосуществованием кристаллической и аморфной фаз. Частотная зависимость проводимости подчиняется степенному закону w^s(s = 0.8). Сходные результаты были

получены на пленках С60 и С70: при высокой температуре проводить не зависела от частоты, в то время как степенной закон наблюдался при низких температурах. Можно сделать вывод, что при повышении температуры преобладающий механизм меняется от

прыжковой проводимости к термической активации. Таким образом, при высоких температурах как в пленках, так в монокристаллах фуллерита 2Ea = 1.85 эВ с не зависящим от частоты значением энергии активации. При низких температурах

проводимость частотно-зависимая и слабо зависящая от температуры, что объясняется влиянием примесей. При температуре 425 К наблюдается уменьшение проводимости монокристалла С60, что объясняется перераспределением молекул, приводящим к ло-

кализации электронных состояний.

            Модели проводимости. Выдвигалось несколько моделей для объяснения проводимости фуллеренов. Простейшая модель рас­пространяет проводимость графита в направлении оси с на фулле­ритовые кристаллы, причем проводимость оценивается как 1/60 проводимости графита в направлении оси с, умноженная на отно­шение плотностей фуллерена и графита (pc60 /pг = 0.74). Имеющиеся экспериментальные результаты позволя­ют предположить, что проводимость фуллеренов можно описать схемой проводимости разупорядоченных полупроводников. Доми­нирующий механизм определяется температурой: при низких тем­пературах прыжковая проводимость с переменной длиной прыж­ка, переходящая в прыжки по ближайшим соседям. С повышением температуры преобладают активированные прыжки в хвостах зон, и лишь при очень высоких температурах, приближающихся к тем­пературам сублимации, можно наблюдать проводимость по делокализованным состояниям. Большой разброс экспериментальных значений энергии активации приводит к выводу, что в фуллереновых материалах должно соблюдаться правило Майера — Нелдела. Оно состоит в следующем. Если материал имеет полупроводниковый тип проводимости а = а0 ехр(-Еа/kT), а в разупорядоченных материалах активационная энергия и пре­тор проводимости связаны следующим соотношением:

s0=s00exp(-Eа/kT0), s - проводимость.

Где s0 и T0 - параметры Майера — Нелдела.

Данное соотношение выполняется, к примеру, для химически близких полупроводников или для различных образцов полупроводника, приготовленных несколькими способами, т. е. с различной концентрацией примесей, при разных температурах подложки, различном давлении кислорода при отжиге и т. д. Соотношение справедливо для аморфных и поликристаллических полупроводников, материалов с электронной, ионной и полярной проводимостью. Это универсальное правило требует выполнения только одного условия: неоднородности с любой точки зрения. Транспорт в неоднородных системах можно описать как многократный захват носителей заряда на локализованные состояния с последующим термическим высвобождением. В таком случае подвижность носителей заряда не является постоянной величиной, а приобретает дисперсию: м(T) = м00 (wt), м00 — микроскопическая подвижность, нормированная на плотность состояний. Предэкспоненциальный множитель проводимости содержит, таким образом, время высвобождения из самой глубокой ловушки, которое обратно пропорцио­нально числу ловушек в данном энергетическом интервале. Измеря­емая в эксперименте энергия активации является глубиной самой глубокой ловушки, в которую попадает носитель на расстоянии, рав­ном длине свободного пробега. Правило Майера- Нелдела выполня­ется, если предположить, что ловушки распределены по глубине экспоненциально. Экспериментальные подтверждения этому пред­положению следуют из измерения поверхностной фотоэдс, неста­ционарной фотопроводимости (рис. 10).

Страницы: 1, 2, 3