1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 6, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 6, стр. 803-805

Влияние высокого давления на электрические и структурные свойства фуллерена С70

Д. Н. Соколовский 1, 2, *, П. С. Зеленовский 2, Я. Ю. Волкова 2

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Уральский государственный медицинский университет Минздрава России”
Екатеринбург, Россия

2 Федеральное государственное автономное учреждение высшего образования “Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина”
Екатеринбург, Россия

* E-mail: sokolovskyd1@gmail.com

Поступила в редакцию 20.11.2018
После доработки 16.12.2018
Принята к публикации 25.02.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследований электрических свойств кристаллов фуллерена С70 при давлениях до 46 ГПа в диапазоне температур от 90 до 400 K. Определены области давления, в которых происходит значительное изменение электрических характеристик фуллерена C70. Анализ КР‑спектров и температурных зависимостей электросопротивления C70, свидетельствует о ряде структурных преобразований, происходящих в образце при различных давлениях.

Физические свойства фуллеренов C60 и C70 за время, прошедшее с момента их открытия, были исследованы достаточно подробно [1, 2]. Изучение механизмов преобразования одной углеродной формы в другую и получение новых углеродных структур с уникальными электрическими и механическими свойствами на сегодняшний день представляют значительный интерес для многих отраслей промышленности. Физические свойства кристаллов фуллеренов демонстрируют широкие перспективы применения этих материалов в электротехнике и оптоэлектронике.

Давление является эффективным средством для создания метастабильных фаз углерода, сильно зависящих от кристаллической структуры и гибридизации атомов. При высоких давлениях в кристаллах C60 и C70 наблюдается образование структур твердого углерода с ковалентными связями между атомами различных молекул фуллеренов, как это имеет место в алмазе [3, 4].

Измерение проводимости может дать информацию о возникновении фазовых переходов различного типа, однако для определения природы этих переходов необходимы структурные, например, рентгеновские, исследования или КР-спектроскопия. В то же время поведение проводимости в точке фазового перехода показывает, что переход происходит во всем объеме исследуемого вещества, тогда как структурные исследования указывают только на локальную трансформацию фаз [5].

Таким образом, с целью изучения структурных преобразований, происходящих в кристаллах фуллерена C70 при высоких давлениях, образец был исследован методом КР-спектроскопии. Температурные зависимости электросопротивления свидетельствуют о том, что фазовые переходы происходят во всем объеме образца

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В эксперименте использовалась камера высокого давления с алмазными наковальнями типа “закругленный конус–плоскость”, изготовленными из синтетических поликристаллических алмазов “карбонадо”. Для установления шкалы давления по реперным точкам был использован ряд фазовых переходов с изменением электросопротивления на несколько порядков, связанных с переходом в металлическое состояние [6]. Сопротивление образцов измерялось в диапазоне температур 90−400 K. Температура камеры высокого давления регистрировалась с помощью термопары медь–константан. Методика позволяет изучать образец при последовательном увеличении и снижении давления, выдерживать его под нагрузкой в течение длительного времени [7].

Исследования структуры кристаллов фуллерена C70 проводились с помощью системы отображающей конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния Alpha 300 AR. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер с длиной волны 488 нм и максимальной мощностью 27 мВт. Измерения спектров комбинационного рассеяния проводились в Уральском центре коллективного пользования “Современные нанотехнологии” УрФУ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены температурные зависимости электросопротивления R(T) фуллерена C70 при давлениях 20–46 ГПа. По графикам, представленным на рис. 1, можно судить о слабой зависимости электросопротивления от температуры, однако с увеличением давления она снижается значительно. С точки зрения электронных свойств фуллерены и их производные в конденсированной фазе можно рассматривать как полупроводники n‑типа (с шириной запрещенной зоны 1.5–1.95 эВ) [8, 9].

Рис. 1.

Температурные зависимости электросопротивления фуллерена С70 при давлениях 28 (а), 34 (б), 46 ГПа (в), и 20 ГПа при снятии нагрузки (г).

При давлениях ниже 28 ГПа зависимости R(T) имеют вид, характерный для невырожденных полупроводников. Ранее сообщалось, что полимеризация фуллеренов при низких давлениях приводит к росту проводимости и уменьшению наклона в температурной зависимости полупроводникового типа [10]. Таким образом, характер зависимости R(T) при давлении 28 ГПа можно объяснить полимеризацией фуллерена C70 под давлением. Также следует отметить, что фуллерен C70 не переходит в “графитоподобную” фазу при давлениях порядка 20–25 ГПа, как это наблюдалось в случае C60 [11].

При достижении давления 34 ГПа сопротивление образца значительно уменьшается, и наблюдается изменение характера температурной зависимости, которая становится типичной для материалов с частично заполненной зоной проводимости – вырожденных полупроводников, полуметаллов. Это может быть вызвано повышением доли разупорядоченных атомов углерода в образце и частичной аморфизацией фуллеренов под давлением, как это ранее наблюдалось [12–14]. Сопротивление образца при этом уменьшается на два порядка.

При давлении 46 ГПа можно отметить очень слабую зависимость сопротивления от температуры; зависимость имеет полуметаллический характер. Подобные температурные зависимости ранее наблюдались при переходе фуллерена C60 в сверхтвердые фазы [15].

При уменьшении давления зависимость R(T) при 20 ГПа снова приобретает вид, характерный для невырожденных полупроводников. При этом наблюдается резкое увеличение сопротивления. Изменения такого рода могут быть связаны с формированием алмазоподобной фазы [16].

С целью установления структурных преобразований, произошедших в образце под действием высоких давлений, кристаллы C70 были исследованы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (см. рис. 2). На спектре исходного образца наблюдается ряд комбинационных мод, соответствующих структурным особенностям фуллерена C70 (рис. 2а). Затем был проведен эксперимент по измерению температурных зависимостей электросопротивления при давлениях 20–46 ГПа. На спектре образца, снятого с алмазной наковальни после эксперимента, комбинационные моды C70 не прослеживаются, что говорит о необратимых изменениях в структуре фуллерена (рис. 2б). Таким образом, преобразования, произошедшие в образце в ходе эксперимента, являются необратимыми. На втором спектре можно выделить только интенсивный пик с частотой 1334 см–1, который соответствует комбинационной моде алмаза. Ширина данного пика на половине максимума составляет 17 см–1, что значительно больше, чем у алмаза (~3 см–1). Отсутствие широкой полосы с центром около 1600 см–1, соответствующей аморфному углероду, свидетельствует о получении алмазоподобной фазы [17]. Ранее наблюдались подобные преобразования фуллеренов C60 и смеси C60–C70 [18].

Рис. 2.

КР-спектры образца фуллерена С70: а – при атмосферном давлении и комнатной температуре, б – после воздействия давлением 46 ГПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, исследование температурных зависимостей электросопротивления фуллерена C70 в диапазоне давлений 20–46 ГПа показало, что образец проходит через ряд фазовых преобразований. Зависимости R(T), полученные при 28 и 34 ГПа, свидетельствуют о том, что при данных давлениях C70 проходит через стадии полимеризации и аморфизации соответственно. При снятии нагрузки фуллерен C70 необратимо переходит в алмазоподобную фазу, что было подтверждено с помощью КР спектроскопии.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (16-02-01137 и 16-02-00857).

Список литературы

  1. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. // УФН. 1995. Т. 165. № 9. С. 977.

  2. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eclund P.C. Science of Fullerens and Carbon. Nanotubes. San Diego: Academic Press, 1996. 965 p.

  3. Soldatov A.V., Roth G., Dzyabchenko A. et al. // Science. 2001. V. 293. P. 680.

  4. Blank V.D., Buga S.G., Dubitsky G.A. et al. // Carbon. 1998. V. 36. № 4. P. 319.

  5. Тихомирова Г.В., Бабушкин А.Н. // Физ. тв. тела. 2002. Т. 44. № 4. С. 618; Tikhomirova G.V., Babushkin A.N. // Phys. Sol. State. 2002. V. 44. № 4. P. 644.

  6. Babushkin A.N., Babushkina G.V., Ignatchenko O.A. // J. High Press. School. 1999. V. 1. P. 32.

  7. Babushkin A.N. // High Press. Res. 1992. V. 6. P. 349.

  8. Saito S., Oshiyama A. // Phys. Rev. Lett. 1991. V. 66. № 20. P. 2637.

  9. Kikuchi K., Suzuki S., Saito K. et al. // Chem. Lett. 1991. V. 20. № 9. P. 1607.

  10. Makarova T.L., Sundqvist B., Scharff P. et al. // Carbon. 2001. V. 39. P. 2203.

  11. Moshary F., Chen N.H., Silvera I.F. et al. // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69. P. 466.

  12. Liu D., Yao M., Wang L. et al. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. P. 8918.

  13. Chandrabhas N., Sood A.K., Muthu D.V.S. et al. // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 3411.

  14. Wasa S., Suito K., Kobayashi M., Onodera A. // Sol. St. Commun. 2000. V. 114. P. 209.

  15. Kozlov M.E., Hirabayashi M., Nozaki K. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. V. 66. P. 1199.

  16. Lyapin A.G., Brazhkin V.V., Lyapin S.G. et al. // Phys. St. Sol. B. 1999. V. 211. P. 401.

  17. Nistor L.C., Van Landuyt J., Ralchenko V.G. et al. // Diam. Relat. Mater. 1997. V. 6. P. 159.

  18. Wei B., Liang J., Gao Z. et al. // J. Mater. Process. Technol. 1997. V. 63. P. 573.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал