中性およびドープされたＣ６０（Ｃ７０）の励起子効果と
光吸収スペクトル（1994年9月29日記）
電子技術総合研究所物性基礎研究室：針谷喜久雄
フラーレン系の励起子効果について，強束縛模型を用いて考察する．
自由電子部分は，最近接の炭素原子間だけにπ電子の移動積分 t
を仮定する．励起子効果を取り入れるために，オンサイト斥力 U と
長距離成分 V をパラメターに持つ大野ポテンシャルを考える [1]．
この模型を，ハートリーフォック近似と１電子励起配置間相互作用
法によって取り扱い，双極子近似で光物性スペクトルを考察した．
中性Ｃ６０とＣ７０の計算結果を実験と比較して図１に示す [1]．
Ｃ６０に固有な光励起ピークの励起エネルギー位置と相対振動子強度
は，U=4t，V=2t (t=1.8eV) の理論でうまく記述されることがわかる．
Ｃ７０については，分子の対称性が低下するため，実験との一致は
overall である．両分子に対して，理論のパラメターは共通である．
次にフレンケル励起子効果が明瞭にみられる，ドープされたアルカ
リ金属の濃度が最大である場合を考えた（図２）[2]．実験でみられる各ピ
ークの励起エネルギーと相対振動子強度を説明するために必要なク
ーロンポテンシャルの強さは，中性フラーレン系の時の値のほぼ半分
(U=2t，V=1t，t=2.0eV) であることがわかった．Ｃ６０とＣ７０に
対して共通に同じ結論を得た．電子ドープされたフラーレン系にお
いては，励起子効果を特長づけるπ電子間の有効クーロン相互作用の
強さが弱くなるのである．EELSの実験 [3] によると，最大ドープの
場合の静的誘電率は中性系のもののおよそ2倍である．ドープにとも
なって誘電率が増加するという実験事実は，計算結果とまさに符合
している．
参考文献
[1] K. Harigaya and S. Abe: Phys. Rev. B 49 (1994) 16746.
[2] K. Harigaya: Jpn. J. Appl. Phys. 33 (1994) L1093;
K. Harigaya: Phys. Rev. B (to be published).
[3] E. Sohmen and J. Fink: Phys. Rev. B 47 (1993) 14532.
[4] S. L. Ren, Y. Wang, A. M. Rao, E. McRae, J. M. Holden, T. Hager,
KaiAn Wang, W. T. Lee, H. F. Ni, J. Selegue, and P. C. Eklund:
Appl. Phys. Lett. 59 (1991) 2678.
[5] J. P. Hare, H. W. Kroto, and R. Taylor: Chem. Phys. Lett.
177 (1991) 394.
[6] T. Pichler, M. Matus, J. Kuerti, and H. Kuzmany:
Solid State Commun. 81 (1992) 859.
図と説明
図１：計算結果（実線）と実験データ（細線）の比較．
Ｃ６０の実験は文献 [4] より，Ｃ７０の実験は文献 [5] より引用した．
図２：計算結果（実線）と実験データ（細線，点線）の比較．
Ａ６Ｃ６０の実験は文献 [3,6] より，Ａ６Ｃ７０の実験は文献 [3]
より引用した．Ａはアルカリ金属を意味する．