Fullerenen zijn samengesteld uit 60 koolstofatomen die zijn samengevoegd in zeshoekige ringen om een ​​bol te vormen die lijkt op een voetbal. Fullerenen zijn van groot belang voor materiaalwetenschappers omdat hun interessante elektronische eigenschappen ze aantrekkelijk maken voor gebruik in geavanceerde elektronica en nanotechnologie.

De elektronische eigenschappen van fullereen kunnen worden gewijzigd door doping met andere elementen zonder de vorm van de voetbal te veranderen. Vooral, zouten van met lithiumionen gedoteerd fullereen, wat wordt aangeduid als Li+@C ₆₀ , zijn gesynthetiseerd in hoge opbrengst, en de structuur van Li+@C ₆₀ is bepaald. Li+@C ₆₀ zouten zijn gebruikt in zonnecellen en moleculaire schakelaars met veelbelovende resultaten.

Om de prestaties van Li+@C . te optimaliseren ₆₀ in toepassingen zoals fotovoltaïsche en schakelapparatuur, het is belangrijk om de elektronische eigenschappen ervan grondig te begrijpen. Een internationale onderzoekssamenwerking onder leiding van de Universiteit van Tsukuba heeft onlangs de kennis van Li+@C . uitgebreid ₆₀ door enkele Li+@C . af te beelden ₆₀ moleculen via scanning tunneling microscopie (STM). STM kan materialen afbeelden met een resolutie op moleculair niveau en informatie verschaffen over de elektronische structuur van afzonderlijke moleculen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof .

"We hebben een dunnefilmmonster gefabriceerd dat geschikt is voor STM door vacuümverdamping van een Li+@C ₆₀ zout op een koperen ondergrond, " zegt co-auteur van de studie Seiji Sakai. "Ons daaropvolgende microscopie-onderzoek onthulde dat hoewel sommige lithiumionen ontsnapten tijdens het verdampingsproces, het monster bevatte wel wat Li+@C ₆₀ moleculen op het kopersubstraat."

De microscopiebeelden onthulden een mengsel van Li+@C ₆₀ en ongedoteerde fullereenmoleculen op het koperoppervlak. Beide soorten moleculen waren op dezelfde manier georiënteerd, maar vertoonden verschillende hoogten en elektronische structuur, waardoor ze zich kunnen onderscheiden. Het team leende verder gewicht aan hun experimentele bevindingen door berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie uit te voeren om gesimuleerde scanning tunneling microscopiebeelden te genereren. De experimenteel gemeten en gesimuleerde microscopiebeelden kwamen over het algemeen goed overeen.

"Onze studie bevestigt de elektronische structuur van met lithium gedoteerd fullereen, " zegt hoofdauteur Yoichi Yamada. "Dergelijke kennis zal ons helpen om de elektronische structuur van fullerenen te moduleren om hun prestaties in opto-elektronische en schakelapparatuur te optimaliseren."

De beeldvorming en elektronische structuurbevestiging van Li+@C ₆₀ vertegenwoordigen belangrijke stappen in de richting van geavanceerde toepassingen van organische materialen, omdat ze zouden moeten bijdragen aan het beheersen van de dragerinjectie en transporteigenschappen van fullerenen.