超导材料的新成员-(C60)富勒烯基团

 新闻资讯     |      2020-06-24 02:34

多年来,人们只知道固态碳有两种结构形式:一种是具有紧密结构的金刚石,另一种是具有鳞片层状结构的石墨。

1984年发现了有60个碳原子组成的分子-C60。它的结构是:60个碳原子分布在一个圆球表面上, 将相近的碳原子连接起来, 就形成一个由20个六边形和12个五边形组成的足球状笼子。如图2-27所示。

C60分子中碳原子有四个键,包括两个单键和一根双键,六边形与五边形共边为单键,另外为双键。由于这种结构与巴克敏斯特-富勒设计的穹顶相似,俗称C60为巴氏球。并且把具有类似结构的物质(如C50, C60, C70等)命名为富勒烯,之所以称为烯是由于这类物质分子中含有饱和碳-碳双键的烯类物质。

由于人们不能制取大量的C60, 无法对巴氏球做进一步研究, 直到1990年霍夫曼等人宣布用简单的方法可以合成和分离出纯的C60之后, 才引起人们的注意, 形成了C60研究热。

C60制备方法,目前有激光蒸发法、电弧法和火焰法三种。 现在简单介绍常用的电弧法合成技术:在氨气氛中用石墨电极放电的方法可合成常量的C60原子。 其合成装置中当石墨移动电极向石墨固定电极靠近至适当距离时,石墨电极放电(100--200A)的高温直接使石墨蒸发、气化. 在水冷却的放电室的内壁和两个电极的支架上淀积的碳超微颗粒(黑灰)中便含有C60,C70等原子簇.影响C60产率的因素很多,例如石墨电极的大小,两电极放电时的距离、惰性气体的种类和压力、通过电极的电流的大小等.其中以惰性气体的种类和压力对C60的产额影响最大.如何从黑灰中分离提纯C60?由于C60和C70等全碳分子可溶于苯、甲苯等有机溶剂中,其它非极性溶剂,例如CS2,CCl4等也能溶解全碳分子C60和C70等,碳原子簇分子溶于

苯中为酒红—褐色溶液,溶液颜色的深浅取决于碳原子簇分子的浓度。而石墨黑灰则不溶于芳烃溶剂,从而通过过滤可将两者分开;加热溶液,在真空中蒸干,可获得暗褐色至黑色的C60和C70混合物。另一种从碳碎片黑灰中分离出C60(包括C70)的方法是在真空、惰性气体或空气中加热碳碎片黑灰至约400℃,即可将全碳原子簇升华分离出来. C60和C70原子簇的分离用高压液相色谱法,由于溶于流动相已烷中的C60与C70在色谱柱多孔硅石珠固定相的流速不同,它们在色谱柱中的保留时间便不同,C70的保留时间比C60长,这样就可将C60和C70分离开来,可得纯度为99.9%的C60在芳烃溶剂中,C60为绛红色溶液的芥子色固体,C70则是一种红色溶液的红褐色固体。

C60晶体有金属光泽, 其苯溶液呈紫红色。C60分子特别稳定, 在进行化学反应时或在化合物中始终是一个整体。C60能抗辐射、耐高压、抗腐蚀。C60的能带结构与半导体材料相近,能带宽度为1.7电子伏特, 纯C60的导电率极低, 与绝缘体相差无几。

C60的X光衍射照片证实, 它有正20面体的结构, 结构中正五边形的边长为1.47埃, 六边形为不等六边形, 其中一组不相邻的边长为1.47埃, 另一组不相邻边长为1.38埃。球状结构的直径为7.1埃。

1991年4月美国贝尔实验室发现C60和钾的化合物在18K下呈现超导状态。同年6月日本电气公司将C60和铯铷合金化合获得了临界温度为33K的超导体。7月我国北京大学、物理所等单位也制出了K3C60和Rb3C60超导体。图2-28给出了K3C60的K原子处于C60所形成的面心立方结构的K(1)和K(2)位置。

据报道,1993年美国纽约州立大学的材料物理学家将氯化碘卤间化合物掺入巴氏球中,合成了临界温度达60K的C60超导体, 这是第一个利用空穴掺杂产生的超导体, 以往的碳超导体是利用带负电的粒子掺杂产生的, 空穴掺杂是利用带负电的粒子掺杂产生的, 空穴掺杂材料的电学特性是由行为像正电荷那样带电粒子产生的。

C60超导体其临界电流密度大, 且材料易于加工, 有很大实用价值, 而它是三维结构, 它的研究和应用会更容易些, 因此, 我们完全有理由期待C60超导体将会有更大的发展.