富勒烯和它的基本物理_化学问题_1996年诺贝尔化学奖简介[1] 4页

富勒烯和它的基本物理、化学问题*


1996年诺贝尔化学奖简介解
思
深(中国科学院物理研究所,中国科学院凝聚态物理中心,北京
100080)摘
要

1996年的诺贝尔化学奖由美国得克萨斯州休斯顿的赖斯大学的柯尔教授和斯莫利教授以及英国萨塞克斯大学的克罗托教授因1985年发现富勒烯而分享,文章简要介绍了这一成就的发现、影响和由此而产生的新的化学分支和凝聚态物理研究的新领域.关键词

富勒烯,碳,团簇,笼形化合物Abstract

96
NobelprizeofChemistryhasbeenawardedtoProfessorHaroldKroto,Univer-sityofSussex,UK,ProfessorBobCurlandProfessorRickSmalley,RiceUniversity,Texas,fortheirexcitingdiscoveryofFullerenein1985.Herethediscoverystory,impacttoCondensedMatterPhysicsandChemistrybroughtbythisdiscoveryandthenewresearchfieldsderivedfromthisdiscoveryhavebeenoverviewbriefly.Keywords

Fullerene,carbon,cluster,cagecompound和概念都得以向三维方向延伸.1
富勒烯的发现在谈到富勒烯的发现时,人们常常提及1985年休斯顿的为期11天的合作研究.当时一年一度的诺贝尔物理奖和化学奖终于有也有人戏称它为可能获得诺贝尔奖的11天的了结果,前几年在化学界和物理学界曾大出风研究,如今这一预言业已得到应验.让我们回忆头的C60分子,果然不孚众望,柯尔(R.F.Curl)一下这宝贵的11天的研究成果是如何策划和教授、斯莫利(R.E.Smalley)教授和克罗托(H.如何发生的.1984年,克罗托教授从英国萨塞W.Kroto)教授一举夺魁,荣获1996年诺贝尔克斯大学专程到休斯顿的赖斯大学化学系访问化学奖这一殊荣.用高功率激光蒸发石墨而得他的同事柯尔教授.克罗托教授自70年代就开到碳蒸气在惰性气体中冷凝、凝集而成的球状始从事分子射电天文学研究,在80年代中期,分子,这一球状分子包含60个碳原子,其外形他开始考虑碳团簇可能与宇宙空间存在的反常酷似一个现代的足球,研究人员命名这一分子红外吸收有关.在克罗托访问赖斯大学期间,他为巴基敏斯特
富勒烯
这3位的发现发表于被介绍到斯莫利教授实验室.当时,斯莫利与他1985年11月份出版的
自然
杂志上,当时受的同事正在利用一台新装置研究SiC2的谱学到了科学家的广泛的关注,既有批评、又有热情问题,并意外地发现SiC2分子有三角形的结的赞扬.它在凝聚态物理、材料科学和化学本身构.在斯莫利的实验室里,一台激光蒸发团簇束所产生的影响,以及围绕这一新的发现所产生的产生设备引起克罗托教授与柯尔教授用它制的新兴研究方向,足以说明富勒烯荣获诺贝尔备长链碳分子的灵感,斯莫利教授对此研究计化学奖不仅是由于它在开拓新的化学分支中的作用,而且对现有的理论化学中若干科学问题*
1996年11月4日收到26卷(1997年)4期
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划也颇有兴趣.一年半之后,实验条件已经完全个碳原子搭建一个球状的分子模型.经过再三就绪,克罗托再次访问赖斯大学,并于1985年推敲,克罗托回忆起建筑师巴基敏斯特
富勒于9月1日(星期天)在实验室开始了实验工作,1965年
1967年在蒙特利尔的万国博览会上在这里有两名研究生希思和奥布赖恩协助克罗所建造的蒙古包式的圆穹顶,其中使用了六边托工作,而柯尔和斯莫利也常过问实验的进展.形和五边形,但是,没有人记得如何去使用这些随着实验工作的顺利开展,在质量分析谱仪上六边形和五边形以及该分别用多少个六边形和出现了清晰的、令人激动的信号,即在质量数为五边形.他们从赖斯大学图书馆借来了一本有720处的强峰代表了一个包含60个碳原子的关富勒的建筑的书.克罗托多次生动地描述他稳定分子的存在.这一结果已经超过了埃克森曾经为自己的孩子搭建过一个类似的建筑物.(Exxon)公司实验室1984年的工作.在初获胜直到临回英国的那天早晨,克罗托被告知斯莫利之后,9月6日(星期五)举行了研究组的全利用纸片搭建了一个模型,成功地解决了富勒体人员会议,柯尔建议必须找到合适的工艺条烯的分子结构.令人惊奇的是历史有时十分相件,以保证C60的峰成为占主导地位的峰.他们似,世界上第一个DNA的双螺旋结构是用纸特别细心调节超声喷咀里吹出氦气的压力,并先做成的模型,而第一个富勒烯球状结构也是恰当地安排了簇与簇之间相互碰撞的空间,使先用纸做成的模型.C60的球状结构具有截角正体系更加接近热平衡状态,也使C60团簇的丰二十面体的对称性,看起来令人信服,但是结构度不断提高,最终在质量数为40
120范围内模型的许多问题仍有待于回答.考虑到球状分+++子具有I只见到C60和C70的信号峰.除了C60峰的强度20的对称性,实际上,这60个碳原子可比Exxon公司的小组的研究结果要高得多以以由对称操作联系起来.也就是说,因为处于同外,赖斯大学的科学家在解释这一实验结果时,样的化学环境下,所以核磁共振的化学位移应幸运得多.1984年Exxon的罗尔芬发表题为该具有单线结构.毫无疑问,核磁共振实验是球
超声法制备碳簇束的指征
的文章,得到的结状分子结构的直接考验.由于当时的实验方法论是:(1)当质量数n
30时,碳簇(Cn)中碳原只能获得微量的C60和C70,由飞行时间质谱仪子数目可奇、可偶;(2)当质量数20
n
90检查到它们的存在,而无法收集到适宜的样品.时,只存在偶数簇C2n.实际上,他们已经发现从1985年第一篇文章的发表到1990年的4年了全新的一组碳簇.但是,Exxon公司实验小组时间内,科学家的兴趣只能局限于理论上的分实在太不走运了.在解释这一实验结果时,他们析和对性质的预测.人类社会对于碳的第三种提出了存在线性链状簇的看法.这就使得他们形态的存在,并没有表示出应有的热忱.这里我与这一领域内的最激动人心的重要发现失之交们必须提一下美国亚利桑那大学物理系的一个臂,当然也失去了登上诺贝尔化学奖这一顶峰研究小组的霍夫曼等人在1972年发表过一篇的机会.后来,有人评论这一少有的失误时说:石墨电极放电产生烟灰的文章.接着,霍夫曼与这充分说明实验和理论研究工作必须更加紧密克里斯曼(德国,海德堡马普研究所)改进了放地联系起来;如果只有高超的实验技术,而理论电装置,用收集到的烟灰做紫外吸收和拉曼散上很弱,缺乏想像力,那末这种类同的失误是很射时,发现了所谓骆驼灰的效应,并且断言引起难避免的.在赖斯大学化学系合作研究的三位它是由一种不明物所引起的.直到1985年有关主要科学家克罗托、柯尔和斯莫利教授,在分子C60的第一篇文章发表之后,亚利桑那大学的科的振动-转动动力学方面造诣很高,他们在面学家才开始将不明物与C60分子联系起来.后对由60个碳原子组成的稳定分子这一事实面来的实验表明,骆驼灰的红外吸收谱与C60的前,提出了这一分子应该是球状的,而不是链状四条特征谱线完全一致.有人也曾这样评论这的这一关键模型.问题立即转化成为如何用60一事实,尽管亚利桑那大学的科学家是最早研
196
物理 究石墨烟灰来解决天体物理中问题的小组,显异构体.换句话说,它是碳的第三种存在形式.然,他们已经发现了碳簇的
森林
,但是,他们在
森林
中游来荡去,什么也没有去发现,结果3
富勒烯化学错过了C60的发现,也对呈现在他们面前的固体C60的新世界无动于衷.真是相逢未必就相自从能得到宏观数量的富勒烯样品以来,识;不识卢山真面目,只缘身在此山中.应该指富勒烯化学的发展极为迅速,化学家利用各种出,亚利桑那大学的研究小组的卓越贡献在于化学反应和C60分子的特性已经合成了多种衍解决了如何从烟灰中分离出C60和得到C60的生物.但是由于C60分子存在60个可供选择的结晶形态.开始他们一天才能得到100mg的固成键的自由基,因此产物的品种多,同素异构体体C60.毫无疑问,他们是世界上第一个观察到多,造成分离、提纯的困难.如何建立选择性的固体C60的科学家,也开拓了全新的富勒烯科反应机制来控制产品,已成为十分紧迫的研究学.直到1990年,由于他们的工作,在某种意义任务之一.上说,才唤起了人类社会对C60发现的重视,并在众多的化学反应中,首先是烃类,用伯奇迅速扩展成为世界性的研究热潮.还原反应得到不含共轭双键的分子(C60H36,进一步加氢可以得到C60H60,后者完全不含双键,2
固体C60的物理性质成为烷烃类.C60H36和C60H60均易氧化而重新得到C60.加卤族元素可得到C60F60,在加氟过固体C60的晶体结构由X射线衍射确定为程中,依次出现C60F6,C60F42,最后得到白色的面心立方结构,晶格参数a=1.402nm.C60之间C60F60.主要靠范德瓦耳斯力结合.C60分子在固体中可在适当的条件下,两个C60分子可以键合取不同的方向排列,而且C60分子绕分子的某成哑铃状分子.一轴向高速旋转,造成C60固体的声子谱包括应该指出,C60分子的直径为0
7nm,在笼振动部分和转轴摆动部分.内可以容纳下任一种元素的原子.但是,C60的固体C60的导电性能类似于窄能隙本征半分子一旦形成之后,它的
电子云排斥从外面导体,经过各种手段测量,价带底和导带顶之间接近的任一原子,因此外来原子、离子难于进入的能隙为1
7eV左右.C60分子的笼内.一种较简单的方法是将要加入实验证明,掺杂碱金属的C60晶体呈现超笼内的元素掺入石墨电极中,在放电过程中外导电性,且有较高的超导转变温度Tc.典型的来原子成离子被裹入笼内.掺杂C60的样品K3C60(Tc=18K),Rb3C60(Tc=28K)都接近于传统超导体的最高转变温度,4
结束语比过去有机超导体的Tc提高了不少.目前,一般认为M3C60的超导电性可以纳入BCS的理经过十多年富勒烯科学的研究发展,在各论框架.个领域内都似乎隐藏着应用的可能,人们也寄C60与其他有机分子形成的固体化合物为希望于它的广泛应用.应该指出的是富勒烯的电子转移体系,已得到一些有机半导体,其中有应用尚需要大量的工作,其中必然有许多新的的表现出软磁性,与一般NO自由基的有机铁事物是我们仍未认知的.在祝贺克罗托、柯尔和磁体并不相似.斯莫利教授荣获1996年诺贝尔化学奖的同时,C60固体在高压下的行为也有很多的研究认真地回顾这一发现过程中的成功、失败,工作.简而言之,C60固体是一种典型的分子晶或许会对应用研究中许多问题的解决有所裨益.体,也是继石墨、金刚石之外的碳的第三种同素26卷(1997年)4期
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参
考
文
献[3]
D.R.Huffman,Adv.Phys.,26(1977),129.[1]
H.W.Kroto,J.R.Heath,S.C.O
Brienetal.,Nature,[4]
W.Kr
atschmer,L.D.Lamb,K.Fostiropoulosetal.,318(1985),162.Nature,347(1990),354.[2]
E.A.Rohlfing,D.M.Cox,A.Kaldor,J.Chem.Phys.,[5]
FullereneC60(History,Physics,Nanobiology,Nanotech-81(1984),3322.nology),edbyD.Koruga,ElsevierSciencePublishersB.V.North-Holland,(1993).*硅基发光材料研究进展鲍
希
茂(南京大学物理系,南京
210093)摘
要

微电子技术是高技术中的关键技术,硅是微电子技术的基础材料.但是硅是一种非发光材料.为了发展光电子集成技术,必须大力发展硅基发光材料.多孔硅是一种有希望的硅基发光材料,它表明纳米晶粒中的量子限制效应对光发射是极有效的.随之涌现出一系列量子限制硅基发光材料,为发展光电子集成提供了新的途径.关键词

硅基发光材料,光致发光,光电子学Abstract

Semiconductingsiliconisthedominantmaterialinmicroelectronics,whichisakeyhightechnology,butitcannotemitlightefficiently.ItisnecessarytodevelopS-ibasedlightemittingmaterialforoptoelectronicintegration,andforthisporousSiisapromisinglightemittingmaterial.Thequantumconfinementeffectinnanocrystalliteshasprovedtobehighlyeffectiveforlightemission,asaresultofwhichaseriesofquantumconfinedS-ibasedlightemittingmaterialshaveappeaedwhichprovideanentirelynewapproachtointegratedoptoelectronics.Keywords

S-ibasedlightemittingmaterial,photoluminescence,optoelectronics

微电子技术是高技术中的关键技术.它促子技术是信息技术的关键.信息技术的发展,要进了其他各个技术领域的发展与现代化.微电求信息传递速度更快,信息存储能力更大,信息子技术水平已是衡量一个国家发展水平的主要处理功能更强.为此必须进一步提高微电子技标志之一.微电子技术的核心是硅集成电路.硅术水平,但是,硅平面器件已趋向其物理极限,是微电子技术的材料基础.硅具有一系列独特依靠缩小器件尺寸,提高精度,增强信息处理能的半导体性质.硅是至今人们研究得最清楚,能力的潜力已很小.在微电子技术中信息的载体获得的最纯净、最完整的材料.与之相对应,还是电子,硅中电子移动速度是较低的.一个合乎发展了一套迄今最精密的硅平面工艺技术,利逻辑的发展是,用速度最快的光作为信息载体,用这套技术,人们在小小的硅片上建立起了一发展光集成技术或光电子集成技术,这将把信座微电子学的技术大厦.在可以预见的未来,在息技术推向一个全新的阶段.微电子技术中,硅的基础地位是无以取代的.*
1996年4月3日收到以硅集成电路、电子计算机为主体的微电
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物理