Уравнение Состояния Фуллерита C-=sub=-60-=/Sub=-

Abstract

В рамках квантово-статистического метода выведено новое уравнение состояния фуллерита C 60 . Уравнение состояния содержит два параметра Грюнайзена, отвечающие за колебательно-вращательный и внутримоле-кулярный вклады молекул фуллерена, которые представляются в виде квантовых изотропных осцилляторов. Внутримолекулярные колебания атомов углерода описываются теорией теплоемкости Дебая, холодный вклад в свободную энергию вычисляется с использованием парного потенциала Леннарда-Джонса для молекул фуллерена. Сравнение теории с экспериментом показывает очень хорошее согласие.Работа выполнена при поддержке гранта ОНИТ РАН № 5 " Фундаментальные проблемы физики и технологии эпитаксиальных наноструктур и приборов на их основе". DOI: 10.21883/FTT.2017.04.44288.326 Экспериментальные исследования термодинамиче-ских свойств фуллеренов и их различных растворов зачастую ограничиваются термическим анализом и ка-лориметрическими исследованиями температурной за-висимости изобарной теплоемкости. Значительно мень-ше надежных и непротиворечивых сведений имеется о широкодиапазонных уравнениях состояния этих мате-риалов. Это относится и к самому распространенному фуллериту C 60 , который является перспективным ма-териалом для нанотехнологий. Исследования физико-химических, электрофизических и оптических свойств фуллеритов при воздействии высоких сжимающих дав-лений представляют как прикладной, так и общий тео-ретический интерес [1][2][3][4]. В частности, перспективны-ми для создания функциональных и конструкционных материалов с уникальными механическими свойствами являются фуллереновые покрытия. Для прогнозирования свойств фуллеритов в широком диапазоне температур и давлений требуется знать уравнение состояния.Первые попытки построить уравнение состояния фул-лерита C 60 были предприняты в работах [5,6]. В рабо-те [5] теоретический метод основывался на вычисле-нии второго вириального коэффициента с применением парного потенциала для молекул фуллерена. В рабо-те [6] применялось приближение Дебая-Грюнайзена для расчета давления, объемного коэффициента теплового расширения и коэффициента сжимаемости. В обоих слу-чаях использовался межмолекулярный потенциал вза-имодействия C 60 −C 60 , полученный путем двукратного интегрирования парного потенциала Леннарда-Джонса для атомов углерода по сферической поверхности мо-лекулы фуллерена. Позднее эти подходы развивались в работах [7][8][9][10][11][12], в которых учитывались ангармонизм колебаний, оптические фононы, использовалась теория свободного объема и др. Кроме того, для описания экс-периментальных данных могут успешно использоваться эмпирические и феноменологические уравнения состо-яния, например, уравнение Бирча-Мурнагана [13]. Ни одна из указанных теоретических моделей, к сожалению, не учитывает возможное вращение молекул фуллерена.В работе автора [14] предложена качественно но-вая модель термодинамических свойств фуллерита C 60 . В рамках этой модели фуллерены представляются кван-товыми изотропными осцилляторами, которые соверша-ют колебательно-вращательное движение. Вклад тепло-вых колеб...