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目 录

第一章 绪论 5

1.1 前言 5

1.2 富勒烯性质及国内外研究现状 5

1.2.1 富勒烯的发现 5

1.2.2 C60 6

表1 不同萃取剂对应富勒烯的产量 7

1.2.3 C20 7

1.2.4 其他富勒烯 8

1.3 富勒烯的结构及性质 9

1.3.1 C60 9

1.3.2 C20 10

1.3.3 其他富勒烯 10

1.4 本论文的研究思路 11

第二章 富勒烯的光谱计算方法和内容 12

2.1 引言 12

2.2 软件介绍 13

2.3 基组选择 13

2.4 计算步骤 13

2.5 计算方法及内容 14

第三章 光谱计算结果与分析 16

3.1 结构分析 16

3.1.1 C20的结构分析 16

3.1.2 C60 17

3.2 能量分析 18

3.2.1 C20的能量分析 18

3.3 能隙及费米能级 19

3.3.1 C20的能隙及费米能级 19

3.3.2 C60的能隙及费米能级 21

3.4 红外吸收光谱分析 21

3.4.1 C20的红外吸收光谱的分析 21

图12 C20的红外吸收光光谱 22

3.4.2 C60的红外吸收光谱的分析 22

图13 C60的红外光谱分析 22

图14 富勒烯C60在基态的红外光谱 23

3.5 紫外吸收光谱分析 23

3.5.1 C20的紫外吸收光谱 23

图15 C20的紫外可见吸收光谱随外电场的变化分析 24

3.5.2 C60的紫外吸收光谱 24

图16 C60的紫外可见吸收光谱随外电场的变化分析 25

3.6 拉曼光谱分析 25

3.6.1 C20的拉曼光谱 25

图17 C20的拉曼光谱随外电场的变化分析 26

第四章 应用及展望 26

4.1 引言 26

4.2 富勒烯未来研究前景 26

4.3 富勒烯的应用 27

4.4 小结 27

第五章 总结 27

参考文献 28

致谢 31

外场作用下富勒烯的光谱和物理性质研究

马璐微

，China

Abstract： As the minimal fullerenes that can be existed, it is of great significance to study the properties of C20 under external electric field. The football-like fullerene molecule C60 is the smallest IPR fullerene that ever found, which is called Buckyball. In this paper, we use the density functional theory (B3LYP) method to calculate the stable electronic structure of the ground state of C20 molecule on basis set level of 6-311G. Study the influence of external electric field on the structure, energy, energy and distribution, energy gap and infrared spectrum of C20 molecules. The results indicate that when the electric field in the Z-axis direction increases, the dipole moment and energy gap of the molecule would increase gradually and the total energy would decrease. Charge transfer occurs inside the C atom, and C20 molecules have strong electronic capabilities and strong chemical activity, so it is easy to get electrons to become negative ions. The IR spectrum and Raman spectrum of C20 both have a great deal of vibrational peaks. It was noted that there is no absorption peak of fullerene C60 in the absence of an electric field, indicating that the valence electrons in fullerene C60 cannot be excited by any wavelength of light without applying the electric field. But with the electric field increasing, the absorption peak of fullerene C60 shifts towards the long-wave region. With the field the excitation energy is decreasing and the excitation wavelength is increasing and the lower the excited state, the greater the influence of the electric field. The energy gap is decreasing with the field.

Key words：Fullerenes; External electric field; infrared spectroscopy; Raman spectroscopy; UV-visible absorption spectrum

绪论

前言

1985年，美国科学家在使用激光轰击石墨产生蒸汽的过程中发现了C60分子。C60的发现为人类对碳世界的研究打开了新的大门。富勒烯也因其特殊的几何形状和新奇的性质首次进入科学家的视线，成为了物理、化学领域研究的新热点。随着纳米科学研究手段的不断发展，人们对富勒烯的研究不断深入^[1]。

2000年，德国和美国科学家发现了气象状态下的C20分子，他是由12个五元环组成的正十二面体结构，共有四种异构体。这是到目前为止科学家发现的最小笼状富勒烯分子。根据1987年，Kroto等人提出了决定富勒烯稳定性的“独立五元环规则”，即IPR规则。在稳定的富勒烯结构中，所有的五元环全部都被六元环所隔离开来，富勒烯笼状结构中存在相邻的五元环，相邻五元环的存在会带来比较大的弯曲张力，如果富勒烯的球面上含有两个或者多个相邻分布的五元环，此时碳笼就会因为存在较大的张力而不稳定^[2]。符合IPR规则的富勒烯被称为IPR富勒烯，反之称为非IPR富勒烯。目前为止发现的最小IPR富勒烯是C60。作为可能存在的最小的笼状富勒烯分子， C20由12个纯五边形构成，因此，相邻五元环带来的极大弯曲张力使C20碳笼极其不稳定。因此，C20的合成十分困难。^[3-5]

富勒烯性质及国内外研究现状

富勒烯的发现

从古到今，人类对碳元素的好奇从未停止，对于碳元素的研究也从未止步，不断深入。众所周知，平日里为我们所熟悉的碳元素通常具有两种同素异形体，它们分别为石墨和金刚石。而富勒烯碳原子簇则一直到80年代中期才被人们发现，作为金刚石和石墨的同素异形体，它一经发现便广受科学家的关注，并因其独特的结构和性质一度成为近年来的研究热点。它的发现为世界各国的科学家们打开了碳世界的新的大门^[6]。

最早对富勒烯的研究始于天体物理学家，由于他们对宇宙尘埃的浓厚兴趣，于是模拟星际空间和恒星附近的碳原子簇的形成。于是，早在1942年O Hahn等人就使用激光质谱法证明了碳原子簇的存在。但是此研究至证实了数目少于15的碳原子簇的存在，即C_n(nlt;15)。直到1984年，Rohlfing等人在使用质谱仪在超声氨气氛围中研究激光蒸发石墨产物的过程中发现了碳原子簇中可包含上限为200个碳原子，即C_n(nlt;200)。以及一个有趣的现象，当碳原子数目大于40时ngt;40，此时团簇中的碳原子的数目仅为偶数个^[7]。而在这些团簇中，C60的质谱峰明显高于其他所有的团簇，这一现象直接证明了C60与其他团簇相比更为稳定。但是他们当时并没有对C60的结构做进一步的研究，他们并不认为此质谱峰是由C60产生的^[8-9]。

1985年，Kroto等美国科学家用同样的方法进行了进一步的研究。他们使用同样的实验仪器，采用相同的实验方法，同时严格的控制实验条件从而获得了以C60为主的质谱图。当时著名的英国建筑学家Buckminister Fuller设计了一种球形薄壳结构，整个建筑均为五边形和六边形构成。受到他这一建筑灵感的启发，Kroto等人于是提出，C60是用60个碳原子构成的，有12个五边形以及20个六边形组成的32面体结构^[10]。在这一结构中，所有的五边形互不相邻，它们都被六边形所隔离开。结构中的每一个碳原子都用sp2的杂化方式和它相邻的三个碳原子连接，剩余的p轨道则在C60分子的内腔和外围形成了π键^[11]。也正是因为受到了建筑学家Buckministerfuller的影响，他们将这一结构命名为巴基球（Buckministerfullerene），又因为C60的五边形六边形交替的三十二面体的结构酷似足球，因此，C60也常常被人们成为足球烯，即（Footballene）。Kroto等人还大胆的进行了预测，他们认为富勒烯具有芳香性。这一猜测在以后的研究中的到了进一步的证实^[12]。

C60

虽然C60的发现由激光轰击蒸发石墨制得，但是此方法并不能大量制备富勒烯，由激光轰击蒸发石墨可以得到的C60微乎其微。所以，直到1990年，科学家才发现了制备富勒烯的新方式，即用电阻直接加热石墨棒或者使用电弧法使石墨蒸发^[13]。用这种方法可以得到一定数量的C60和C70的混合物。这种方式为日后研究C60分子的物理化学性质奠定了一定基础。

合成C60的装置示意图如下图所示。使用两根光谱纯石墨棒做为电极，在充入的氦气氛围中放电，然后电弧产生的碳烟就会沉积在水冷反应器的内壁上，这个时候再用刷子将沉积在内壁上的碳烟收集起来，此时的碳烟的主要成分为C60和C70的混合物，实验条件十分好的情况下，C60和C70的含量最高可以达到15%，一般情况下，使用这种方法得到的C60和C70 的含量在7%-15%之间^[14]。后来，Parker等科学家又在原来的实验条件和实验装置下进行了一系列的改进，将原来的石墨弧放电法改为直流电弧法。在氦气的静态压力为2.67*10⁴Pa时，两根石墨棒的最佳放电距离则是4mm，在此实验条件下，富勒烯的产率急剧增加，一般情况下可以达到44%^[15]。

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