高迁移率的金属富勒烯晶体的合成与表征

富勒烯包合物通常以气相形式存在，在实验中一般难以获得其单晶。人工微结构与介观物理国家重点实验室的吕劲课题组与日本筑波大学的赤坂健教授，日本分子科学所的永濑茂教授，罗光富博士和王路博士合作，对金属富勒烯晶体开展了研究。通过化学修饰方法，合成了金属富勒烯包合物La@C82的晶体。测量表明，该单晶在其c轴方向具有目前有机导体中最高的载流子迁移率（μ >10 cm2 V-1 s-1）。对比实验表明，单晶形态以及La掺杂对其高迁移率有重要贡献。通过电子结构计算我们发现，该单晶的能隙仅为0.005 eV（相比而言，C60面心立方晶体的能隙则超过1.5 eV），电子和空穴的有效质量约为自由电子质量的0.94倍。因此在室温下很容易变成导电性好的半金属。本研究工作发表于化学领域顶级杂志Angewandte Chemie 51，1589 （2012）（IF=13.455）（北大为共同通讯作者单位之一）和 J. Am. Chem. Soc. 133, 2766 (2011) （IF=9.907）。在此基础上，他们又合成和表征了包含多个金属原子的金属富勒烯晶体。他们发现Sc3C2@C80 的载流子迁移率为μ = 0.13 cm2 V-1 s-1，比La2@C80 或者Sc3N@C80 的载流子迁移率高两个数量级。因此可以通过改变内部金属的种类调节金属富勒烯晶体的载流子迁移率，从而使其广泛应用于有机分子器件。研究工作发表在J. Am. Chem. Soc. 134, 11681 (2012)上（北大为共同通讯作者单位之一）。

上述研究工作得到了国家重大研究计划，教育部新世纪人才计划，国家自然科学基金以及人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持。