Syntheses, Structures and Properties of C_(60) and Iodine Intercalated C_(60)

국문 초록 (Abstract)

C_(60)의 donor-type의 compound에 대한 연구가 많이 진행되어 오고 있는데 비해 acceptor-type의 compound는 근래에 연구되기 시작했고 특히 요오드를 intercalation시킨 C_(60)는 intercalation된 요오드의 상태와 위치면에서 논란이 되고 있어서 이 연구가 시작되었다.
Contact-arc방법을 이용하여 soot를 얻고 alumina를 이용한 column chromatography와 Norit-A를 이용한 flesh column chromatography를 수행하여 순수한 C_(60)를 분리해 내었고 요오드를 intercalation시켜서 합성한 C_(60)I_(x)를 X-ray powder diffraction, Micro Raman, UV.VIS. 스펙트럼, 그리고 형광 스펙트럼을 측정하여 순수한 C_(60)와 요오드가 intercalation된 C_(60)를 구조와 성질면에서 비교해 보았다.
C_(60)는 space group이 Fm3이고 14.1892(5) Å의 lattice parameter를 가지는 fcc구조로 알려져 있다. 본 연구에서는 polycrystal의 C_(60)에서 탄소 원자의 더 정확한 위치와 탄소간의 결합길이를 찾아내었다. C_(60)I_(x)는 space group이 P3이며 a = b = 9.970(1) Å, c = 9.988(1) Å인 trigonal 구조임이 확인되었다. Rietveld식 full profile refinement에 의해 본 실험에서 합성한 C_(60)I_(x)의 조성은 C_(60)I_(2)임이 밝혀졌으며 가장 가까운 I간의 거리가 2.05 Å이고 2개의 I는 서로 dimer상태로 6g의 general position에 1/6정도 무질서하게 채워진 것으로 확인되었다. 실제 이 system에서 일어나는 현상은 dimer가 long range order가 없이 random하게 배치되어 있어서, X-ray diffraction 실험 결과, 마치 모든 I의 자리에 1/6만이 채워진 것처럼 관찰되는 것이다.
Micro Raman측정을 해 본 결과 C_(60)의 H_(g) mode(268 ㎝^(-1))와 A_(g)를 mode(1466 ㎝^(-1))가 요오드가 intercalation되어 들어감으로써 peak의 splitting 현상이 나타났다. 이것으로 요오드가 intercalation되면 C_(60)의 vibrational mode가 영향을 받음을 알 수 있었으며, UV.VIS. 스펙트럼과 형광 스펙트럼의 측정 결과에서도 요오드가 intercalation되어 들어가면 순수한 C_(60)와는 다른 분광학적인 성질을 보임을 확인할 수 있었다. 특히 형광 스펙트럼 측정 결과 요오드가 들어가므로 인해서 C_(60)의 형광에 비해 더 높은 에너지의 band가 관찰되었으며 이것은 요오드가 들어가므로 인해서 electronic level에 변화가 있음을 시사해 준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The study of donor-type intercalation compounds is relatively well established. Discussion of the possibility of a superconducting phase in iodine-doped C_(60) invoked the idea of acceptor-type fullerene compounds. This study was started in view point of iodine state and structure in doped C_(60).
After the soot was obtained using the contact-arc method, C_(60) was purified using the alumina and Norit-A column chromatogrphy technique. Vapour phase reactions of iodine with pure C_(60) were carried out at 300℃ for 3 days in evacuated quartz tubes.
C_(60) has fcc structure with space group Fm3 and lattice parameter of 14.1892(5) Å. The atomic positions of C_(60) and bond lengths of C-C were obtained by Rietveld full profile refinement technique. C_(60)I_(x) has trigonal structure with space group P3 and a = b = 9.970(1) Å, c = 9.988 Å. Composition of C_(60)I_(x)was C_(60)I_(2). There are iodine dimers with 1/6 occupancy in the 6g general positions. Most nearest I-I distance was 2.05 Å. Most nearest C-I distance was 3.32-3.74 Å, which seems little far to make chemical bond. In the Micro Raman spectrum of iodine intercalated C_(60), splitted H_(g) and A_(g) modes were observed. In the UV.VIS. spectrum and fluorescence spectrum of iodine intercalated C_(60) different photophysical properties from those of pure C_(60) was found.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅲ
• 논문개요 = ⅶ
• 본문 = 1
• 1. 서론 = 1
• 2. 실험 = 9
• 2.1. C_(60)의 제조 = 9
• 2.1.1. Soot의 생산 = 9
• 2.1.2. Soot으로부터 fullerene의 분리 = 9
• 2.1.3. C_(60)의 분리 = 12
• 2.1.4. Pentane을 이용한 C_(60)의 정제 = 16
• 2.2. C_(60) single crystal의 형성 = 16
• 2.3. 요오드가 intercalation된 C_(60)의 합성 = 16
• 2.4. 실험 방법 = 17
• 2.4.1. 구조 분석 및 확인 = 17
• 2.4.2. SEM(Scanning Electron Microscopy) 측정 = 18
• 2.4.3. Raman Spectroscopy Measurement = 19
• 2.4.4. UV.VIS. Spectrum Measurement = 19
• 2.4.5. Fluorescence Spectrum Measurement = 19
• 3. 결과 및 토의 = 20
• 3.1. C_(60)의 수득률 = 20
• 3.2. C_(60) single crystal = 20
• 3.2.1. SEM측정 = 20
• 3.2.2. Raman Spectroscopy 측정 = 21
• 3.3. 구조확인 및 분석 = 23
• 3.3.1. Bulk C_(60) 구조 확인 = 23
• 3.3.2. 요오드가 intercalation된 C_(60)의 구조 분석 = 26
• 3.4. Raman Spectroscopy 측정 결과 = 43
• 3.5. UV.VIS. Spectrum 측정결과 = 47
• 3.6. 형광 스펙트럼 측정 결과 = 52
• 4. 결론 = 57
• 참고문헌 = 58
• Abstract = 63