Изменение структуры фуллеритов С60 под влиянием атомов металлов, при электронном и лазерном облучении Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ФУЛЛЕРИТОВ С60 ПОД ВЛИЯНИЕМ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ, ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ И ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

©Н.Е. Корниенко, Н.П. Кулиш, Е.Л. Павленко, В.В. Стрельчук1*, О.П. Дмитренко

Киевский университет, Институт полупроводников1-1, Киев, Украина, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: фуллерит С60; колебательные полосы; атом металла; электронное и лазерное облучение; полимеризация.

Изучено изменение тонкой структуры полосы Ag(2) в спектрах КР фуллерита С60 и трансформация полос Hg(7,8) в широкие D и G полосы графитоподобных материалов. Наблюдалось множество колебательных резонансов, включая резонансы межмолекулярных и внутренних колебаний, что способствует изменению электронных состояний.

Методом комбинационного рассеяния (КР) света и рентгеновской дифрактометрии (РД) изучалось изменение структуры пленок фуллерита С60 при взаимодействии с атомами металлов, интенсивном электронном облучении (1,8 МеВ) и изменении интенсивности лазерного излучения (2 Вт/см2 - 30 кВт/см2). Кристаллические пленки фуллерита С60 толщиной 1,2 и 2 мкм наносились на подложки из кристаллического кремния, их структура контролировалась с помощью РД (Со, X = = 1,7902 А). Спектры КР возбуждались излучением непрерывного Аг + лазера с длинами волн = 514,5 и 488 нм при 295 К. Регистрация спектров осуществлялась с помощью современного спектрометра НогіЬа ІоЬіп Ууои с охлаждаемым ССБ-детектором.

Атомы Ві и 1п наносились на верхнюю поверхность кристаллов С60 в виде наношара толщиной 5 нм, а пленка Бп толщиной 600 нм находилась на нижней поверхности фуллерита около подложки Бі. Ионы Ее и Ті внедрялись в пленки С60 при облучении их соответ-

ствующими пучками с энергией 140 кэВ и дозой 1013-1014 ион/см2.

Колебательные полосы А§(2), Щ(7) и Щ(8) оказались очень чувствительными к изменению структуры и свойств фуллеритов С60. Сильное изменение формы полосы А§(2) при контакте с пленкой Бп показано на рис. 1, а. Основные спектральные компоненты полосы А§(2) повторяются для всех рассмотренных случаев взаимодействия фуллерита с атомами металла. Линия 1468-1470 см-1 и 1464-1466 см-1 относится соответственно к колебаниям молекул С60 и их димеров [1] или молекул в возбужденном триплетном состоянии [2]. Линии 1458-1460 и 1447 см-1 связываются соответственно с линейным полимером и тетагональной фазой [1]. Компоненты 1474-1481 и 1446-1454 см-1 следует относить к суммарным тонам Щ(3) + Щ(4) и Щ(1) + + Еи(3). Нами установлено, что в полимеризации фул-лерита С60 важную роль играют коллективные механизмы миграции энергии и давыдовское расщепление.

Рис. 1. Результаты численного разложения полосы Ag(2) в спектре КР фуллерита С60 (А^ = 514,5 нм) при контакте с пленкой 8п на компоненты гауссовой формы (а) и трансформация полос Щ(7,8) в широкие Э и О полосы при изменении мощности и диаметра фокусировки лазерного излучения 488 нм: 3 мВт, й = 2 мкм (1), 100 мВт, й = 80 мкм (2) (Ь). Для сравнения показаны спектр двойной нанотрубки (3) [3] и прессованного изотропного графита (4). Частоты максимумов даны в см-1

Рис. 2. Резонансы между колебательными модами Hg(3), Hg(4) и суммарными тонами низкочастотных мод Hg(1,2) и Аg(1) (а) и наблюдение резонансов моды Hg(1) с обертоном решеточной моды vG3, а также мод Hg(7), Fu(4) и Ag(2) с суммарными тонами внутримолекулярных и решеточных мод (b) в спектре КР фуллерита С60 (514,5 нм, 295 К)

Методы РД показывают уменьшение постоянной решеток с атомами И, Ее и 1п и возникновение новых дифракционных максимумов, которые доказывают появление пространственно ограниченных тетрагональных фаз. При повышенной интенсивности возбуждающего излучения наблюдалась трансформация полос Щ(7,8) фуллерита С60 в широкие Б и О полосы графитовых материалов, что показано на рис. 1, Ь. Эти полосы отличаются от полос графита и близки к наблюдаемым полосам двойных углеродных нанотрубок (НТ) [3]. Отметим, что при изменении структуры фуллери-тов полосы Щ(7,8) существенно усиливаются, а полоса Ag(2) сильно ослабляется.

Отличительной особенностью фуллеритов С60 является система множественных колебательных резонансов: Щ(1) + Щ(2) = Щ(3); Щ(1) + Аg(1) = Щ(4); 2Щ(3) = Щ(7), Еи(4); Hg(3) + Щ(4) = Ав(2), 3А^1); 2Hg(4) = Щ(8), впервые обнаруженных нами [4]. Усиление системы колебательных резонансов с ростом дозы электронного облучения Б иллюстрируется рис. 2, а. Благодаря совокупности колебательных резонансов энергия термически возбужденных колебательных мод путем их нелинейных резонансных взаимодействий преобразуется в область высших колебательных состояний. Они приближаются к электронным состояниям, эффективно взаимодействуют с ними и изменяют их. Это ведет к усилению как межмолеку-лярного взаимодействия [4], так и полимеризации фул-лерита. Полимеризация фуллерита сопровождается появлением низкочастотных решеточных мод vG в области 50-180 см-1 и ряда составных тонов с их участием, а также изменением частот большинства полос (см. рис. 2, а, Ь).

В результате существенного повышения частот решеточных мод фуллерита VG с ростом дозы электронного облучения Б (1-25 МГр) нами впервые наблюдались

резонансные взаимодействия решеточных и внутримолекулярных колебательных мод, что иллюстрируется рис. 2, b. В частности, наиболее низкочастотное колебание молекулы С60 Hg(1) резонирует с первым обертоном решеточной моды 2vG3, а высокочастотные моды Hg(7), Fu(4) и Ag(2) - с суммарными тонами внутри- и межмолекулярных колебаний. Эти резонансы могут объяснить немонотонные изменения частот и интенсивностей колебательных полос. Например, максимум полосы Hg(1) усиливается более чем в три раза, а интегральная интенсивность полосы Hg(8) - более чем на порядок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Talyzin A.V., Dzwilewski A., Wagberg T. // Solid State Commun. 2006. V. 140. P. 178-181.

2. Chambers G., Dalton A.B., Evans L.M., Byrne H.J. // Chem. Phys. Lett. 2001. V. 345. Р. 361-366.

3. Jeonga G.-H., Okada T., Hirata T., Hatakeyama R., Tohji K. // Thin Solid Films. 2004. V. 464-465. P. 299-303.

4. Корниенко Н.Е., Кулиш Н.П., Алексеев С.А., Дмитренко О.П., Павленко Е.Л. // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109 (в печати).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Korniyenko M.Ye., Kulish M., Pavlenko O.L., Strilchuk V.V., Dmytrenko O.P. Change of structure of fullerites C60 under influence of metal atoms, electron and laser irradiation.

Changes of fine structure of Ag(2) band in Raman spectrums of C60 fullerites and transformation of Hg(7,8) in wide D and G bands were studied. It was observed many vibration resonances, including resonances of intermolecular and inner vibrations that induce changes of electron states.

Key words: fullerite C60; vibration bands; metal atom; electron and laser irradiation; polymerization.