[論文レビュー] Anomalous low-energy electron attachment in C_{60}

Erio Tosatti, Nicola Manini|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 1994

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、C60における低エネルギー電子付加が、s波付加を抑制し、L=0の振動電子状態を排除する動的なJahn-Teller効果によって引き起こされるp波散乱を通じて主に進行することを提案している。これにより、実験的に観測された熱的付加率における0.26 eVの活性化エネルギーを説明する遠心力障壁が生じる。p波散乱の簡単な正方形井戸ポテンシャルモデルは、測定された付加断面積および温度依存性を定量的に再現する。

ABSTRACT

We propose that thermal electron attachment to C$_{60}$ should occur preferentially in the p-wave channel, following an analysis of the vibron excitation spectrum of C$_{60}^-$. A very simple model based on this idea is shown to account very well for recent attachment data. The unexplained activation energy of $\approx$ 0.26 eV found experimentally is attributed to the p-wave centrifugal barrier.

研究の動機と目的

• C60における異常な熱的電子付加挙動、特に実験データで説明のつかない0.26 eVの活性化エネルギーを説明すること。
• C60⁻における振動電子結合および動的なJahn-Teller効果が電子付加チャネルに与える役割を調査すること。
• 励起スペクトルにL=0の振動電子状態が存在しないことにより、s波付加ではなくp波付加が優勢になる理由を特定すること。
• 複雑な多体効果を必要とせず、観測された温度依存する付加率を再現できる最小限のモデルを構築すること。

提案手法

• 付加がユニット確率で発生すると仮定し、遠心力障壁を越えた後は、p波散乱による電子付加をモデル化する。
• C60の相互作用ポテンシャルを半径R = 5.27 Å、深さV₀ = 4.68 eVの球対称正方形井戸ポテンシャルで表現し、E = -2.7 eVで1つの束縁状態が存在することを保証する。
• k = √(2mₑE)/ħおよびχ = √(2mₑ(E+V₀))/ħを用いて、ベッセル関数j₁およびn₁を用いてp波位相シフトδ₁を計算する。
• 電子エネルギーEの関数としての付加断面積σₐ(E) = 12πħ²(2mₑE)⁻¹ sin²δ₁を計算する。
• マクスウェル＝ボルツマン分布に従うエネルギー分布を用いて、A(T) = 2¹ᐟ²/(mₑ¹ᐟ²kBT) ∫₀^∞ E¹ᐟ² σₐ(E) e⁻ᴱᐟᵏಷᵀ dEという式により、熱的付加率A(T)を統合計算する。
• Rを調整することで実験データに適合させ、V₀は束縁状態条件によって固定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜC60における電子付加は、通常のs波付加行動とは対照的に約0.26 eVの異常な活性化エネルギーを示すのか？
• RQ2 動的なJahn-Teller効果は、C60⁻におけるs波付加の抑制とp波チャネルの優位性にどのように寄与しているのか？
• RQ3 C60⁻の励起スペクトルにL=0の振動電子状態が存在しないことは、電子付加ダイナミクスにどのように影響するのか？
• RQ4 遠心力障壁を伴う単純なp波散乱モデルは、観測された温度依存する付加率を定量的に再現できるか？

主な発見

• p波遠心力障壁の高さは0.27 eVと計算され、実験的に観測された0.26 eVの活性化エネルギーと非常に良好に一致する。
• R = 5.27 ÅおよびV₀ = 4.68 eVのモデルは、広い温度範囲で実験的熱的付加率を高い精度で再現する。
• 低エネルギー領域では、p波障壁を通過する量子トンネル効果により、付加断面積がE²に比例して減少し、低温での純粋なアレニウス則からの逸脱を説明する。
• モデルは、入射電子エネルギーが障壁高さ付近に達する際に付加率の最大値を予測しており、観測された温度依存性と一致する。
• 高温領域における計算された付加率は実験値よりもわずかに低くなるが、これは単純な正方形井戸ポテンシャルの限界および即時非弾性崩壊の仮定によるものとされる。
• 分子のベリー位相に起因するL=0の振動電子状態がC60⁻の励起スペクトルに存在しないことが、s波付加の抑制およびp波プロセスの優位性の根本的要因である。