Куріленко Є. В.

Бердянський державний педагогічний університет, Україна

Фулерит – стабільна твердофазна структура фулерена

У 1985 році Роберт Керл, Гарольд Крото і Річард Смоллі абсолютно несподівано відкрили принципово нову вуглецеву сполуку - фулерен, унікальні властивості якого викликали цілий шквал досліджень. У 1996 році першовідкривачам фулеренів присуджена Нобелівська премія [1,2].

Основою молекули фулерена є вуглець - хімічний елемент, що відрізняється здатністю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули різного складу і будови. Відомо, що вуглець має два основних алотропних стани: графіт і алмаз. Фулерен – ще один алотропний стан вуглеця.

Структурна формула - симетричний багатогранник з n атомами-вершинами (рис.1), має каркасну структуру, дуже нагадує футбольний м'яч, що складається з вуглецевих структур – шестикутників і п‘ятикутників [1].

а б

Рис. 1. Схематичне зображення фулерена: а) у вигляді електронної хмари; б) кульками атомів у вершинах, з‘єднаних стержнями.

Революційні відкриття у фізиці завжди супроводжується пошуком практичного застосування отриманих результатів. У даному випадку унікальна структура фулерена зумовлює його унікальні властивості, які стали предметом інтересу науковців всього світу, і не тільки фізиків. В даний час кількість наукових робіт про фулерени, опублікованих в області наноматеріалів, вже перевищує 40 тисяч.

Прогнозується використання фулеренів у твердотільній мікроелектроніці, через це особливого значення набуває вивчення властивостей фулериту – стабільної твердофазної структури фулерену. Тому нижче коротко описані деякі властивості цього матеріалу.

Для формування фулеритів – найпридатнішим є фулерен С₆₀ - оскільки саме С₆₀ є найстійкішим з усіх фулеренів, його найлегше виготовити у достатній для формування кристалічних структур кількості [2].

Закристалізований фулерен С₆₀ (тобто фулерит С₆₀) за типом хімічного зв’язку належить до молекулярних кристалів, де зв’язані ковалентними зв’язками між атомами вуглецю молекули С₆₀ формують кристал під впливом міжмолекулярної ван-дер-ваальсівської взаємодії. Оскільки остання набагато слабша за ковалентну, молекули С₆₀ у кристалі практично не змінюють ні своєї геометричної конфігурації, ні енергетичної структури.

Згідно з експериментальними даними за порівняно високих температур фулерит, сформований з молекул С₆₀ , може бути описаний за допомогою моделі жорстких куль. Це означає, що його кристалічна ґратка забудовується за принципом щільної упаковки, коли кожен вузол гратки (у нашому випадку - молекула-фулерен С₆₀) оточений дванадцятьма найближчими сусідами (рис.2).

Рис. 2. Формування щільної упаковки з куль однакового радіуса і різного типу порожнин у щільно упакованій структурі

Незважаючи на те, що така упаковка куль є найщільнішою з усіх можливих, у проміжку між кулями залишаються хоча й незначні, та все ж порожнини. Це може створити сприятливі умови для легування фулериту, не руйнуючи каркас фулерена (не заміщаючи в ньому один чи декілька атомів).

За енергетичною структурою фулерит С₆₀ з ГЦК граткою є напівпровідником. Такий висновок випливає як з теоретичних розрахунків за методом молекулярних орбіталей, так з досліджень спектрів оптичного поглинання, результати яких добре узгоджуються. Ширина забороненої зони фулериту С₆₀ за різними даними лежить у межах E_g=1,5-1,95 еВ. Його питомий опір величезний - приблизно 10¹⁴ Ом∙см, що відповідає діелектричному стану твердих тіл [3].

Іонізаційний потеціал дорівнює 7.62 еВ, спорідненість до електрону 2.65, енергія нижчого триплетного стану 1.7 еВ. Робота виходу для аморфних плівок С₆₀ визначена як 4.53 еВ. Кулонівської взаємодії між молекулами становить U=1.6 еВ [4].

Унікальність фулеренів не закінчується на будові самої молекули. Ці сполуки мають цікаву електронну структуру, пояснення якої відкриває світло на їх оптичні та електричні властивості.

Отже, роль фулеренів у розвитку мікро- , а скоріше, наноелектроніці з кожним роком зростатиме. Саме фулерени можуть стати поштовхом до розробки ЕВМ, працюючих на нових принципах. Тому подальше вивчення фулериту – один з найбільш багатообіцяючих напрямків сучасної науки.

Література:

1. Берёзкин В.И. Формирование, строение, свойства замкнутых частиц углерода и структур на их основе.- Великий Новгород, 2009.

2. Довгий Я. Фулерени. - Світ фізики, 2000.

3. Заячук. Д.М. Нанотехнології і наноструктури.-Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009.

4. Золотухин. И.В. Фуллерит – новая форма углерода//Соросовский образовательный журнал №2, 1996. с.51.

5. Керл. Р.Л. Истоки открытия фуллеренов: эксперимент и гипотеза// УФН. - 1998.