[论文解读] 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 35

一句话总结

该论文提出，C60中的低能电子附着主要通过p波散射发生，这是由于动力学Jahn-Teller效应抑制了s波附着并消除了L=0的振动-电子态，从而产生离心势垒，解释了实验观测到的热附着速率中0.26 eV的活化能。采用p波散射的简单方势阱模型定量再现了测量到的附着截面和温度依赖性。

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.

研究动机与目标

• 解释C60中异常的热电子附着行为，特别是实验数据中未被解释的0.26 eV活化能。
• 研究振动-电子耦合与动力学Jahn-Teller效应在塑造C60⁻电子附着通道中的作用。
• 确定由于激发光谱中缺乏L=0振动-电子态，p波附着是否主导于s波附着。
• 构建一个最小化模型，无需复杂多体效应即可重现观测到的温度依赖性附着速率。

提出的方法

• 将电子附着建模为通过离心势垒的p波散射，假设一旦越过势垒，附着概率为1。
• 使用半径R = 5.27 Å、深度V₀ = 4.68 eV的球形方势阱来表示C60的相互作用势，确保在E = -2.7 eV处存在一个束缚态。
• 使用贝塞尔函数j₁和n₁计算p波相移δ₁，其中k = √(2mₑE)/ħ，χ = √(2mₑ(E+V₀))/ħ。
• 计算附着截面σₐ(E) = 12πħ²(2mₑE)⁻¹ sin²δ₁作为电子能量E的函数。
• 通过将截面在麦克斯韦-玻尔兹曼分布上积分，利用公式A(T) = 2¹ᐟ²/(mₑ¹ᐟ²kBT) ∫₀^∞ E¹ᐟ² σₐ(E) e⁻ᴱᐟᵏಷᵀ dE，计算热附着速率A(T)。
• 通过调节R以匹配观测到的附着速率，将模型拟合至实验数据，其中V₀由束缚态条件固定。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何C60的电子附着表现出约0.26 eV的异常活化能，与典型的s波附着行为相反？
• RQ2 动力学Jahn-Teller效应在抑制s波附着并促进C60⁻中p波通道方面起到何种作用？
• RQ3 C60⁻激发光谱中L=0振动-电子态的缺失如何影响电子附着动力学？
• RQ4 是否能通过一个简单的p波散射模型结合离心势垒，定量再现观测到的热附着速率？

主要发现

• 计算得到的p波离心势垒高度为0.27 eV，与实验观测到的0.26 eV活化能高度一致。
• 采用R = 5.27 Å和V₀ = 4.68 eV的模型在广泛温度范围内高精度重现了实验热附着速率。
• 在低能区，附着截面随E²减小，这是由于量子隧穿穿过p波势垒所致，解释了低温下偏离纯阿伦尼乌斯行为的原因。
• 模型预测在入射电子能量接近势垒高度时附着速率出现最大值，与观测到的温度依赖性一致。
• 计算得到的高温附着速率略低于实验值，可能由于简单方势阱模型的局限性以及假设非弹性衰减为瞬时过程。
• 由于分子贝里相位的影响，C60⁻激发光谱中L=0振动-电子态的缺失，是s波附着被抑制且p波过程占主导的根本原因。