§1 固体 C60 的点阵结构

固体 C60 具有近似绝缘的导电性质，实验和理论研究表明，C60 固体的价带与导带之间存在较大的能隙（1.5～2.3eV），C60 的最低未占据分子轨道

（LUMO）为三重简并的 tlu 态，因此，其他原子或原子集团到 C60 分子上的电荷转移可能导致 C60 固体导电性质的改变.晶态 C60 是一种范德瓦尔斯固体， 人们不仅能在 C60 分子笼内装入或在其表面镶嵌其他原子或原子集团，还可以通过向 C60 固体的面心立方晶格间隙位置掺入其他原子，形成掺杂 C60 化合物.到目前为止，已经有相当多的元素被掺入 C60 固体中，其中包括一些无机分子（如 NH3），并且在 C60 的分子间隙位置还能形成原子集团.C60 间隙掺杂形成众多的化合物，这些化合物存在不同的结构，具有不同的性质，其中最引人注目的性质是超导电性.

晶体中的原子或分子有规则地周期性重复排列，根据晶体的宏观对称性，晶格周期性用不同的点阵格子来表征.由晶体学的知识可知，共有 14 种

不同的点阵格子（称布拉格格子），分属 7 个晶系.如立方晶系中就包含了简单立方、体心立方和面心立方等结构.X 射线衍射实验表明，常温下 C60 分子堆积成面心立方的晶状固体（图 5－1），室温下点阵常数 a=14.20Å，C60 分子之间为弱的范德瓦尔斯相互作用，分子间最近 C-C 距离为 2.9Å.因此 C60 分子并不是非常紧密地堆积在一起的，其面心立方点阵形成具有一定大小的正八面体和正四面体空隙，可以填入别的原子或原子集团.图 5－1 中 6 个面心的 C60 分子即形成正八面体空隙，由平移对称性可知，2 个次近邻 C60 分子连线（相当于立方体的边）的中点位置均为正八面体中心，而每个 C60 分子与其相邻的 3 个面心即形成正四面体空隙.简单的分析即可

图 5-1 固体 C60 的面心立方结构图中示出了一个正四面体和一个正八面体空隙位置

得出，在面心立方结构的 C60 固体中，平均每个 C60 分子包含了 1 个正八面体

空隙和 2 个正四面体空隙①.如果在每个空隙位置分别掺入 1 个原子 A，即形

① 在图 5－1 所取的原胞中，中间是一个正八面体位置，12 条边的中点也是其他正八面体中心，但对于该

成 A3C60 化合物.C60 分子直径为 7.1Å，C60 固体面心立方结构的点阵常数a=14.20Å，形成正八面体和正四面体空隙的直径分别约为 4.3Å 和 2.3Å，能够容纳一些不太大的原子.由于正八面体和正四面体空隙的大小不同，各种元素原子的半径各异，使得形成的 C60 化合物的成分、结构及性质也显示很大差别.由于掺杂原子的影响，C60 分子可能偏离原来的面心立方堆积，在空间较大的八面体位置可填入多个原子或形成原子集团；随着温度的变化，这些化合物还可能发生结构相变.掺杂C60 化合物是否出现超导电性与掺杂原子种类、数量及化合物结构有密切关系，C60 掺杂产生了各种结构及组分的化合物超导体.

原胞来说每个这样的正八面体位置只占 1/4，因此原胞中正八面体空隙的数目为 ，8 个顶角与其相邻 3 个面心形成正四面体空隙，且全部包含在该原胞中，因此正四面体空隙共有 8 个.在这个原胞中，顶角上的 C60 分子只占 1/8，面心的 C60 分子占 1/2，因此该原胞中包含的 C60 分子个数是： ，这样 C60 分子数与正八面体、正四面体空隙之比为 4∶4∶8=1∶1∶2，即平均每个 C60 分子包含了一个八面体空隙和两个四面体空隙.

§2 掺杂 C60 化合物

固体 C60 的晶体间隙位置掺杂是 C60 物理的一个重要方面，使人感兴趣的是，一开始用碱金属掺杂形成的 C60 化合物即显示超导电性，而且其临界温度高于所有的有机化合物分子超导体.实验研究很快揭示出一系列掺杂C60 超导体，它们的临界温度也不断提高.采用各种方法将各种原子或分子掺入 C60 中，可以形成不同的化合物，这些化合物的不同性质尤其是导电性质与其结构和掺杂原子种类有着极为密切的关系，这些将为了解这类超导体中超导电性的来源和机制提供有益的信息.