Visualisering af molekylære fodbolde

Fullerener er sammensat af 60 kulstofatomer forbundet i sekskantede ringe for at danne en kugle, der ligner en fodbold. Fullerener er af stor interesse for materialeforskere, fordi deres interessante elektroniske egenskaber gør dem attraktive til brug i avanceret elektronik og nanoteknologi.

Fullerens elektroniske egenskaber kan modificeres ved at dope med andre elementer uden at ændre dens fodboldform. I særdeleshed, salte af lithium-ion-doteret fulleren, som er betegnet som Li+@C ₆₀ , er blevet syntetiseret i højt udbytte, og strukturen af ​​Li+@C ₆₀ er blevet bestemt. Li+@C ₆₀ salte er blevet brugt i solceller og molekylære switches med lovende resultater.

For at optimere ydeevnen af ​​Li+@C ₆₀ i applikationer som fotovoltaik og koblingsenheder, det er vigtigt at forstå dens elektroniske egenskaber grundigt. Et internationalt forskningssamarbejde ledet af University of Tsukuba udvidede for nylig viden om Li+@C ₆₀ ved at afbilde enkelt Li+@C ₆₀ molekyler via scanning tunneling microscopy (STM). STM kan afbilde materialer med opløsning på molekylært niveau og give information om den elektroniske struktur af enkelte molekyler. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Kulstof .

"Vi fremstillede en tyndfilmsprøve egnet til STM ved vakuumfordampning af en Li+@C ₆₀ salt på et kobbersubstrat, " siger undersøgelsens medforfatter Seiji Sakai. "Vores efterfølgende mikroskopiundersøgelse viste, at selvom nogle lithiumioner undslap under fordampningsprocessen, prøven indeholdt noget Li+@C ₆₀ molekyler på kobbersubstratet."

Mikroskopibillederne afslørede en blanding af Li+@C ₆₀ og udopede fullerenmolekyler på kobberoverfladen. Begge typer molekyler var ens orienterede, men viste forskellige højder og elektronisk struktur, giver dem mulighed for at blive differentieret. Holdet gav deres eksperimentelle resultater yderligere vægt ved at udføre tæthedsfunktionsteoretiske beregninger for at generere simulerede scanning tunneling mikroskopi billeder. De eksperimentelt målte og simulerede mikroskopibilleder stemte overordnet godt overens.

"Vores undersøgelse bekræfter den elektroniske struktur af lithium-doteret fulleren, " siger hovedforfatter Yoichi Yamada. "Sådan viden vil hjælpe vores evne til at modulere den elektroniske struktur af fullerener for at optimere deres ydeevne i optoelektroniske og skiftende enheder."

Billeddannelse og elektronisk struktur bekræftelse af Li+@C ₆₀ repræsentere vigtige skridt hen imod avancerede anvendelser af organiske materialer, fordi de skulle bidrage til at kontrollere fullerenernes bærerinjektions- og transportegenskaber.