纳秒激光诱导C60分子碎裂中轻碎片离子C+n(n＜30)的产生机理研究

采用飞行时间质谱计测量了纳秒激光诱导C₆₀分子碎裂中轻碎片离子C⁺_n(n≤11)的初始平均动能,结果显示轻碎片离子具有相同的初始平均动能(约为0.34eV),并且该动能在一定范围内不随激光通量的变化而明显改变.结合前人的实验结果,对纳秒激光诱导C₆₀分子碎裂中轻碎片离子C⁺_n(n＜30)的主要产生模式作了新的阐述,即C< 关键词： 飞行时间质谱计 轻碎片离子 笼形结构塌陷 初始动能     

激光辐照C60分子中光束发散度对产物分布的影响

利用焦距为300 mm和1500 mm的透镜对纳秒激光束进行聚焦,产生了在空间发散度上具有较大差别的两激光束,采用飞行时间质谱计分别测量了两光束诱导C60分子电离和碎裂时的离子产物分布随激光通量的变化特征.实验结果表明,激光束的空间发散度越大,轻碎片离子Cn,+(n<25)的总产额、C60分子的碎裂程度以及延迟电离产额随激光通量的变化趋势就越快,延迟电离成分占总电离成分的百分比就越高.该实验结果可用多光子吸收的内能分布理论给予合理解释.     

高电荷态离子引起的富勒烯离子的碎裂

离子在与富勒烯的相互作用过程中会导致C60分子的激发。处于低激发态的C60r 离子通过发射中性C2分子或带电的轻团簇碎片Cn 等非对称碎裂方式来耗散激发能,但如果激发能很高,笼形的C60r 离子可能会彻底崩溃,而发生多重碎裂。C60r 离子的碎裂过程与其电荷态r及分裂势垒密切相关。低电荷态的C60r (r≤3)离子蒸发一个C2分子需要克服10.3 eV左右的势垒。随着电荷态的升高,发射带电的Cn 会变得越来越容易,并逐渐过渡到多重碎裂过程。另一方面,C60r 离子的碎裂机制还与激发方式有关,在直接正碰过程中,将C60分子当作固体薄靶来处理,通过分析不同价态的C60r 离子的碎片谱,发现母核的初始电荷态决定碎裂方式,由此获得一个可以表征激发能大小的可观测量——发射电子个数。     

高电荷态离子引起的富勒烯离子的碎裂

离子在与富勒烯的相互作用过程中会导致C60分子的激发。处于低激发态的C60r+离子通过发射中性C2分子或带电的轻团簇碎片Cn+等非对称碎裂方式来耗散激发能,但如果激发能很高,笼形的C60r+离子可能会彻底崩溃,而发生多重碎裂。C60r+离子的碎裂过程与其电荷态r及分裂势垒密切相关。低电荷态的C60r+(r≤3)离子蒸发一个C2分子需要克服10.3 eV左右的势垒。随着电荷态的升高,发射带电的Cn+会变得越来越容易,并逐渐过渡到多重碎裂过程。另一方面,C60r+离子的碎裂机制还与激发方式有关,在直接正碰过程中,将C60分子当作固体薄靶来处理,通过分析不同价态的C60r+离子的碎片谱,发现母核的初始电荷态决定碎裂方式,由此获得一个可以表征激发能大小的可观测量——发射电子个数。     

高电荷态离子引起的富勒烯禹子的碎裂

离子在与富勒烯的相互作用过程中会导致C60分子的激发。处于低激发态的C60^r＋离子通过发射中性C2分子或带电的轻团簇碎片Cn^＋等非对称碎裂方式来耗散激发能，但如果激发能很高，笼形的C60^r＋离子可能会彻底崩溃，而发生多重碎裂。C60^r＋离子的碎裂过程与其电荷态r及分裂势垒密切相关。低电荷态的C60^r＋（r≤3）离子蒸发一个C2分子需要克服10．3eV左右的势垒。随着电荷态的升高，发射带电的Cn^＋会变得越来越容易，并逐渐过渡到多重碎裂过程。另一方面，C60^r＋离子的碎裂机制还与激发方式有关，在直接正碰过程中，将C60分子当作固体薄靶来处理，通过分析不同价态的C60^r＋离子的碎片谱，发现母核的初始电荷态决定碎裂方式，由此获得一个可以表征激发能大小的可观测量——发射电子个数。     

C60分子与石墨(0001)、硅(111)面的碰撞

用分子动力学模拟的方法和Tersoff多体势函数对以一定能量入射的C 60在石墨(0001)表面以及硅(111)表面碰撞的过程进行模拟研究.结果发现:碰撞过程是高度非弹性的,在弹回过程中,C60分子质心的运动可被看作是在准谐势下的运动 .C60以240 eV初始能量入射到石墨表面时,C60分子有严重的扭曲,最终将平铺在石墨表面形成薄膜;C60分子以30 eV初始动能入射到石墨表面时,将保持完好球形沉积在石墨表面;C60分子以60 eV的初始动能碰撞硅(111)表面时,C60分子最终沉积在硅表面,碰撞过程中C60分子有形变.     

一套用于研究原子团簇热力学的离子速度成像谱仪

原子团簇的激发温度可由反应产物（出射电子或碎片）的初始平动能这一可观测量间接获得,为了提高原子团簇激发温度的测量精度,设计并搭建了一套具有高动能分辨的离子速度成像谱仪。本谱仪的高动能分辨性能首先借助Simion8.0软件优化静电透镜和分子束限束装置的几何结构来实现,然后通过理论模拟证明本套谱仪具有预期好的动能分辨能力。设备搭建完成后,研究了C₆₀分子束在纳秒激光场中发生的延迟电离过程,获得了C₆₀+离子随延迟时间增加而逐渐变窄的二维时间切片图像。分析表明,激光脉冲产生的多个C₆₀+离子间的库仑耦合作用将会扩展二维切片图像的横向分布,提取库仑耦合作用对C₆₀+离子初始平动能的影响,并通过分析C₆₀+离子间的库仑耦合随延迟时间增加而逐渐变弱的定量依赖关系,证实了本套谱仪具有了设计预期的高动能分辨能力。这一工作为下一步基于离子速度成像技术细致研究分子热力学的相关课题提供技术参考。Excitation temperature of fragmenting atomic clusters can been extracted from the initial kinetic energies of ionic products. To improve the accuracy of the temperature measurements, we have designed an ionic velocity map imaging spectrometer with high kinetic energy resolution. Firstly, based on the simulations using Simion8.0 software, the high resolution is obtained by adjusting the structure of the electrostatic lenses and collimation of molecular beam. According to theoretical analysis, it is proved that the spectrometer has a well defined kinetic energy resolution. Then, we have studied the delay ionization processes of C60 induced by nanosecond laser. A series of narrowed two-dimensional time-sliced velocity images of the C60+ with increasing the delayed time were recorded. Analysis revealed that Coulomb force between C60+ clusters in same laser shots will broadening the transverse distribution of 2D image. Considering the influence of Coulomb force on initial kinetic energy of C60+ clusters, the high resolution has been proved by analysing the negative relationship between Coulomb force and delayed time. It indicates that the establishment of the spectrometer builds up a good basis for next experiments on the studies for molecular thermodynamics in atomic clusters.     

紫外激光和压力共同作用下C60-peapod的聚合相变研究

采用气相扩散方法将C60分子填充到单壁碳纳米管(SWNTs)中,制备出高填充比率的豆荚形纳米材料C60@SWNT,又称为peapod.用金刚石对顶砧(DAC)装置获得高压,在高压下同时利用紫外激光处理样品,通过激光和压力的共同作用研究了C60分子在碳管内的聚合相变.在21.5 Gpa高压下,同时紫外激光(325 nm)照射30 min后,拉曼光谱表明C60分子在碳管内发生了聚合,形成一维链状O相聚合结构,且该相变是不可逆的.紫外激光的引入使样品发生O相聚合所需的压力值低于仅由压力诱导的聚合压力.     

由激光诱导荧光方法探测光碎片分子取向的理论研究

采用密度矩阵方法 ,推导了从激光诱导荧光 (LIF)强度中抽出光碎片取向参数的表达式 .光碎片的取向由分子态多极矩描述 .用于解离母分子和激发碎片分子的激光均为线偏振光 ,而探测荧光为非偏振光 .激光诱导荧光强度是光碎片分子初始态多极矩、线强度因子和解离—激发几何因子的函数 .光碎片的取向参数可以由测量荧光偏振比和计算动力学因子而获得     

富勒烯衍生物C60(CF3)n(n=2,4,6,10)几何结构和电子性质变化规律的密度泛函研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似对C60(CF3)n (n=2,4,6,10)几何结构和电子性质的变化规律进行了计算研究.发现在C60(CF3)4可能稳定存在的三种同分异构体中,具有p-p-p加成方式的衍生物热力学性质最为稳定;在C60(CF3)6可能稳定存在的三种同分异构体中,具有p-p-p-m-p加成方式的衍生物热力学性质最为稳定.对C60(CF3)2,C60(CF3)4,C60(CF3)6和C60(CF3)10四种加成衍生物的几何结构分析可知:随着CF3加成个数的增加,C60中的C-C平均键长逐渐变大,笼子与CF3之间连接键CC60-CCF3逐渐变大.对它们的电子结构分析可知,随着CF3加成数目的增多,反应热几乎是线性增加.而C60(CF3)n(n=2,4,6,10)分子的平均反应热在n=6处为极大值,说明C60(CF3)6应该是最容易得到的加成产物.由Mulliken电荷可知,加成的CF3个数越多,CF3与笼子的相互作用也就越强,每个CF3转移到笼子上电荷数也就越多.C60(CF3)n的自旋聚居数分布表明它们均为闭壳层结构.最后,从CF3对分子的前线轨道贡献可知,四种分子的得电子情况和失电子情况均发生在碳笼本身,并不随着CF3个数的增加而发生明显的改变.