Введение к работе
Актуальность темы
Открытие новой аллотропной модификации углерода -фуллеренов [1] (удостоенное в 1996 году Нобелевской премии) привлекло внимание большого числа исследователей благодаря уникальным свойствам фуллеренов и возможным перспективам их практического применения. Термином "фуллерены" называют молекулы, состоящие из атомов углерода и имеющие вид замкнутой сферы или сфероида. В этих молекулах атомы расположены в вершинах шестиугольников и пятиугольников, покрывающих поверхность. Это - единственная известная аллотропная модификация углерода (две другие - алмаз и графит), обладающая ярко выраженной молекулярной структурой. Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов указывают на перспективы использования этих материалов в различных областях техники [2]. Открытие фуллеренов явилось началом нового направления органической химии [3]. По своей структуре фуллерены могут рассматриваться как трехмерные аналоги ароматических соединений. Уже первые эксперименты по синтезу органических соединений с участием фуллеренов продемонстрировали чрезвычайно широкое разнообразие возможных типов таких материалов.
Эффективным методом исследования электронной и колебательной структуры фуллеренов является оптическая электронная спектроскопия. Изучение электронных оптических спектров молекул позволяет получать информацию о различных электронных состояниях (основном и возбужденных), их колебательных энергетических уровнях. Однако спектры молекул фуллеренов в большинстве твердых и жидких растворов так же, как и спектры молекулярных кристаллов фуллеренов - фуллеритов, состоят из широких полос, что препятствует получению детальной информации об электронном спектре фуллеренов. Используемые в спектроскопии методы получения узколинейчатых оптических электронных спектров молекул (с линиями шириной в несколько обратных сантиметров), такие, как метод холодного газа [4], изоляция молекул в твердых матрицах инертных газов [5] или гелиевых каплях [6]} достаточно сложны и требуют наличия дорогостоящего
оборудования. Кроме того, области их применения ограничены, например, при исследованиях свойств термически нестойких молекул или поляризационных характеристик оптических спектров. В связи с этим актуальным является поиск иного метода получения узколинейчатых спектров молекул фуллеренов, свободного от вышеперечисленных недостатков.
Целью данной работы явилась разработка новой методики получения узколинейчатых спектров молекул фуллеренов и проведение исследований электронной структуры молекул фуллеренов и их производных методами оптической спектроскопии высокого разрешения.
Основные положения, выносимые на защиту, и их научная новизна:
1) Предложен простой и эффективный метод получения
узколинейчатых спектров молекул фуллеренов С70, Сео и некоторых их
производных, основанный на введении фуллеренов в кристаллические
матрицы ряда органических соединений.
2) Впервые исследованы узколинейчатые оптические
электронные спектры молекул фуллерена С70 в кристаллических
матрицах. С высокой точностью определены положения колебательных
уровней молекулы в основном электронном состоянии S0. Впервые
определены энергии колебательных уровней первого возбужденного
синглетного электронного состояния Sv Показано, что в электронно-
колебательных переходах наиболее активны неполносимметричные
колебания, что указывает на запрещенный характер оптического
электронного перехода S-,<-»So в молекуле С70.
3) Впервые наблюдался эффект Зеемана на молекуле
фуллерена. Определена величина спинового g-фактора триплетного
состояния "Г, молекулы С70 (д=1.85).
4) Исследованиями спектра флуоресценции молекул С70 в
магнитном поле доказано, что нижайшее возбужденное синглетное
состояние S-, молекулы С70 является орбитально невырожденным.
5) Обнаружен эффект поляризации оптических спектров
молекул С70 в кристаллической матрице толуола. На основе
поляризационных исследований установлено, что сила осциллятора
чисто электронного перехода S^So обусловлена подмешиванием к
состоянию Si (А2') более высокого оптически активного состояния симметрии Е-і' (точечная группа симметрии молекулы С70- D5h).
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что впервые предложен простой и эффективный метод исследования структуры электронных и колебательных состояний молекул фуллеренов и их производных. Получена новая информация о колебательной структуре основного и первого возбужденного синглетного состояний молекулы фуллерена С70. Продемонстрирована возможность получения поляризованных оптических спектров молекул С70 в кристаллической матрице толуола. Показано, что некоторые линии спектров поглощения и люминесценции матрично-изолированных молекул фуллерена С70 обусловлены электронно-колебательными переходами с участием межмолекулярных колебаний. Впервые получено прямое экспериментальное доказательство триплетной природы излучения долгоживущего возбужденного состояния молекулы фуллерена.
Апробация работы
Результаты работы неоднократно докладывались на институтских семинарах. В 1996 году работа была удостоена премии Отделения физики твердого тела ФТИ им. А. Ф. Иоффе. В 1997 году автор вошел в число победителей конкурса грантов для молодых ученых Санкт-Петербурга. Работа представлялась на российских и международных конференциях:
1)-4) IWFAC'93 (International Workshop on Fullerenes and Atomic Clusters, Санкт-Петербург, 1993 г.); IWFAC'95 (Санкт-Петербург, 1995 г.); IWFAC97 (Санкт-Петербург, 1997 г.); IWFAC99 (Санкт-Петербург, 1999 г.);
-
XXI Съезд по спектроскопии. ИСАИ, Москва, 1995;
-
Fifth Baltic - Russian - Ukrainian Seminar on Point Defects in Insulators and Deep Level Centers in Semiconductors. Giessen, Germany, 1994;
7-8) IWEPN'95 (International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials. Kirchberg, Austria); IWEPNM'98;
9) XIII International Symposium on Electrons and Vibrations in Solids and Finite Systems (Jahn-Teller Effect), Berlin, Germany, 1996;
?
10) International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of
Condensed Matter (ICL'96), Prague, Czechia, 1996;
11) 2nd International Conference on Excitonic Processes in Condensed
Matter (EXCON'96). Kurort Gohrisch, Germany, 1996;
-
Russian-German Seminar on Point Defects in Insulators and Deep Level Centers in Semiconductors. St. Petersburg 1997;
-
Итоговый семинар по физике и астрономии победителей конкурса грантов 1997 года для молодых ученых Санкт-Петербурга, Санкт-Петербург, 1998.
Результаты работы опубликованы в 10 печатных работах в реферируемых журналах и в материалах конференций. Список работ по теме диссертации приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащих 103 страницы машинописного текста, 39 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает в себя 140 наименований.
Похожие диссертации на Оптическая электронная спектроскопия матрично-изолированных молекул фуллеренов
