Experimentelle Untersuchung der elektronischen Struktur der Fullerene C$_{60}$ und C$_{70}$ im Festkörper und in der Gasphase

Biermann, M.

Book/Report

FZJ-2018-07044

Experimentelle Untersuchung der elektronischen Struktur der Fullerene C$_{60}$ und C$_{70}$ im Festkörper und in der Gasphase

Biermann, M. (Corresponding author)FZJ*

1994
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 2972, 115 p. (1994)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/20304

Report No.: Juel-2972

Abstract: Im ersten Teil dieser Arbeit ist die elektronische Struktur von C$_{60}$ und C$_{70}$ in der Gasphase und im Festkörper mittels Synchrotron-Strahlung untersucht worden. Bei diesen Photoemissions-Experimenten stellte sich heraus, daß die Kondensation der C$_{60}$-Moleküle im Festkörper zu keiner starken Modifikation der Zustände führt. Lediglich bei den $\pi$-Zuständen kann man in den Photoemissionsspektren einen deutlichen Unterschied zwischen der Gasphase und dem Festkörper beobachten. Der Grund für diesen Unterschied kann eine Änderung der Übergangsmatrixelemente zwischen beiden Phasen sein, oder kann durch Elektronenbeugungseffekte im Festkörper verursacht werden. Es ist aber auch ein Einfluß aufgrund der Polarisierbarkeit der C$_{60}$-Moleküle im Festkörperfestzustellen. Bei der Plasmonenstruktur im C$_{60}$ beobachtet man in der Gasphase die Anregung von höheren Multipolmomenten der Plasmaschwingung gegenüber dem Festkörper. Dies führt zu einer Verschiebung der Plasmonenstruktur beim molekularen C$_{60}$ um ca. 6 eV zu höherer Energie hin. Auch konnten wir feststellen, daß die exzitonische Bindungsenergie zwischen einem Elektron und einem Lochzustand durch Abschirmungseffekte der Nachbar-Moleküle im Festkörper um ca. 0,8 eV gegenüber der Gasphase verringert ist. Zusätzlich konnten wir über die exzitonische Bindungsenergie die Korrelationsenergie für den Festkörper und die Gasphase nach oben abschätzen. Die Bestimmung der Platzwechselfrequenzen bzw. des Transferintegrals zeigte, daß das LUMO nach der Anregung eines Rumpfelektrons wesentlich stärker lokalisiert ist als im neutralen Zustand. Das gleiche beobachtet man auch für das LUMO+1 - dieses ist ebenfalls nach der Anregung eines Rumpfelektrons stärker lokalisiert als im neutralen Zustand. Der Unterschied ist aber nicht so stark wie beim LUMO. Zusammenfassendkann man also sagen, daß die C$_{60}$-Moleküle im Festkörper nur schwach miteinander wechselwirken - es handelt sich um einen van-der-Waals-Festkörper. Die gleichen Experimente, die an C$_{60}$ durchgeführt wurden, sind auch an C$_{70}$ realisiert worden. Bei den Untersuchungen an den besetzten und unbesetzten Zuständen konnte im Rahmen der Meßgenauigkeit keine deutliche Modifikation der elektronischen Struktur beim Übergang von der Gasphase zum Festkörper gemessen werden. Insbesondere treten die bei C$_{60}$ beobachteten Intensitätsänderungen in den Valenzbandspektren bei C$_{70}$ nicht auf. Der Einfluß der Polarisierbarkeit der Moleküle im Festkörper, der bei C$_{60}$ zu deutlich meßbaren Effekten führt, konnte bei C$_{70}$ aus Intensitätsgründen nicht bestimmtwerden. Zur Analyse der Plasmonenstruktur sind weitere Messungen an beiden Phasen des Materials nötig. Die exzitonische Bindungsenergie konnte für molekularesC$_{70}$ bestimmt werden und damit auch eine obere Abschätzung für die Korrelationsenergie im C$_{70}$-Molekül. Um dies ebenfalls für den Festkörper durchführen zu können sind allerdings zusätzliche Messungen notwendig. Aus der Bestimmung der Platzwechselfrequenz ergibt sich bei C$_{70}$ im Rahmen der Meßgenauigkeit kein Hinweis für einen Elektronentransfer im C$_{70}$-Festkörper. Die Zustände sind stärker lokalisiert als bei C$_{60}$. Beide Fullerene zeigen also eine molekulare Struktur der Festkörper, die durch die geringe van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Molekülen geprägt ist. Beide Materialien unterscheiden sich damit deutlich von den beiden anderen Kohlenstoff-Festkörpern Graphit und Diamant. Bei Experimenten an deponierten C$_{60}$-Filmen auf GaAs(110)-Oberflächen konnte gezeigt werden, daß die Wechselwirkung der beiden Materialien sehr gering ist. Es wurde keine Hybridisierung der Zustände beobachtet. Die C$_{60}$-Moleküle sind offensichtlich nur über eine schwache van-der-Waals Bindung an den GaAs-Kristall gebunden. Es wird lediglich eine geringe Abschirmung der Lochzustände im C$_{60}$ durch das Substrat beobachtet. Dieser Einfluß ist aber bereits ab einer Schichtdicke von ca. 6 ML vernachlässigbar.Zusammen mit der Eigenschaft von C$_{60}$, daß es auf GaAs(110)-Oberflächen geordnete Strukturen bildet, ist dieses Substrat gut als Depositionsgrundlage geeignet, um die Wechselwirkung von C$_{60}$ mit weiteren Materialien zu studieren. Im Gegensatz dazu ist die Wechselwirkung von C$_{60}$-Filmen mit Eisen-Bedeckungen wesentlich stärker. Man beobachtet nur geringfügige quantitative Unterschiede zwischen der GaAs(110)- oder GaAs(100)-Oberfläche als Depositionsgrundlage. Nach dem Aufdampfen der Fe-Atome zeigt sich deutlich eine Hybridisierung der $\pi$-Zustände der C$_{60}$-Moleküle mit Zuständen des Eisens. Es kommt also zur Ausbildung einer chemischen Bindung. Die Eisenatome wachsen aber nicht lagenweise auf C$_{60}$ auf - man kann an den Rumpfzuständen des Eisens ein Inselwachstum beobachten. Auch die Abschirmungseigenschaften von Lochzuständen im C$_{60}$ durch die metallische Eisenschicht sind stärker als beim GaAs.

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