Хімія, фізика та технологія поверхні, 2013, 4 (1), 78-91.

Лазерна десорбція/іонізація фуллеренів: експериментальні і теоретичні дослідження



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp04.01.078

V. O. Pokrovskiy, A. G. Grebenyuk, E. M. Demianenko, V. S. Kuts, O. B. Karpenko, S. V. Snegir, N. T. Kartel

Анотація


Розглянуто та обговорено експериментальні й теоретичні аспекти іонізації, фрагментації та агрегації фуллерену C60, вивченого методом мас-спектрометрії із застосуванням лазерної десорбції/іонізації та квантової хімії. Утворення іонів і хімічні реакції молекул фуллерену залежать переважно від природи та властивостей поверхні, на яку вони нанесені, від умов нанесення та від механізму іонно-молекулярних реакцій, які мають місце в іонному джерелі мас-спектрометра. Показано, що енергії одного фотона достатньо для іонізації адсорбованої молекули фуллерену шляхом переходу електрона на рівень Фермі підкладки та подальшого подолання бар’єру сил електростатичного зображення. Втім, цей механізм неспроможний пояснити одержані мас-спектри вичерпно, особливо високий рівень фрагментації фуллерену, внаслідок нестачі необхідної для цього енергії. Плазмонний резонанс, як наслідок багатофотонного збудження молекули фуллерену в конденсованому стані, є початковою стадією та основним механізмом постачання енергії для лазерно-індукованої іонізації, фрагментації, агрегації та хімічних реакцій, які відбуваються як в адсорбованому стані, так і в іонному джерелі мас-спектрометра. Запропоновано інтерпретацію спостережуваних експериментальних результатів, що стосуються фрагментації та агрегації фуллеренів, яка базується на результатах квантовохімічних розрахунків та евристичних міркуваннях.

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Yoshida Z., Osawa E. Aromaticity. (Kyoto: Kagakudojin, 1971).

2. Kroto H.W., Heath J.R., O'Briyen S.C., Curl R.F., Smalley R.E. C60: Buckminster-fullerene. Nature. 1985. 318: 162. https://doi.org/10.1038/318162a0

3. Sedo O., Alberti M., Janca J., Havel J. Laser desorption-ionization time of flight spectrometry of various carbon materials. Carbon. 2006. 44(5): 840. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.10.025

4. Snegir S.V., Gromovyi T.Yu., Pokrovskiy V.O. Laser desorption/ionization mass spectrometry of fullerene C60 deposited onto the polished steel and silicon targets. Metalphys. Newest Techn. 2006. 28: 255.

5. Hathiramani D., Scheier P., Bräuning H., Trassl R., Salzborn E., Presnyakov L.P., Narits A.A., Uskov D.B. Investigation of fullerene ions in crossed-beams experiments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 2003. 212: 67. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)01481-2

6. Paton B.E., Moskalenko V.F. Chekman I.S. Movchan B.O. Nanoscience and nanotechnology: technical, medical and social aspects. J. NAS Ukraine. 2009. 6: 18. [in Ukrainian].

7. Chekman I.S. Nanopharmacology: view of the problem. J. NAS Ukraine. 2009. 1: 21. [in Ukrainian].

8. Karpenko A.B., Kuts V.S., Snegir S.V., Pokrovskiy V.A. Regularities in fullerene C60 fragmentation according to laser-desorption mass spectrometric and quantum chemical data. Ukr. J. Phys. 2012. 57(7): 773.

9. Fesenko T.V., Surovtseva N.I., Smirnova N.P., Snegir S.V. Enhanced intensity of ion current in mass-spectrometry with laser desorption/ionization under effect of surface plasmon resonance. In: Actual Problems of Surface Chemistry and Physics. All-Ukr. Conf. with Intern. Participation (May 11–13, 2011, Kyiv). P. 300.

10. Becke A.D. Density functional thermo-chemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98: 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

11. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti Correlation-Energy Formula into a Functional of the Electron Density. Phys. Rev. B. 1988. 37: 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

12. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic-structure system: a review. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

13. Yoo R.K., Ruscic B., Berkowitz J. Vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometric study of C60. J. Chem. Phys. 1992. 96: 911. https://doi.org/10.1063/1.462112

14. Brink C., Andersen L.H., Hvelplund P., Mathur D., Voldstad J.D. Laser photodetachment of C-60(-) and C–70(-) ions cooled in a storage ring. Chem. Phys. Lett. 1996. 233(1–2): 52.

15. Hedberg K., Hedberg L., Bethune D.S., Brown C.A., Dorn H.C., Johnson R.D., DE Vries M. Bond lengths in free molecules of buckminsterfullerene, C60, from gas-phase electron diffraction. Science. 1991. 254(5030): 410. https://doi.org/10.1126/science.254.5030.410

16. Murry R.L., Strout D.L., Odom G.K., Scuseria G.E. Role of sp3 carbon and 7–membered rings in fullerene annealing and fragmentation. Nature. 1993. 366: 665. https://doi.org/10.1038/366665a0

17. Murry R.L., Strout D.L. Theoretical studies of fullerene annealing and fragmentation. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes. 1994. 138: 113. https://doi.org/10.1016/0168-1176(94)04037-0

18. Bates K.R., Scuseria G.E. Why are buckyonions round? Theor. Chem. Acc. 1998. 99(1): 29. https://doi.org/10.1007/s002140050299

19. Murry R.L., Strout D.L., Scuseria G.E. Theoretical studies of fullerene annealing and fragmentation. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes.1994. 138: 113. https://doi.org/10.1016/0168-1176(94)04037-0

20. Zhidomirov G.M., Bagaturiants A.A., Abronin I.A. Applied Quantum Chemistry. Calculations on Reactivity and Mechanisms of Chemical Reactions. (Moscow: Khimiya, 1979). [in Russian].

21. Wales D.J., Berry R.S. Limitations of the Murrell-Laidler theorem. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1992. 88(4): 543. https://doi.org/10.1039/FT9928800543

22. Fukui K. The path of chemical reactions – the IRC approach. Acc. Chem. Res. 1981. 14(12): 363. https://doi.org/10.1021/ar00072a001

23. Saito R., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S. Topological defects in large fullerenes. Chem. Phys. Lett. 1992. 195(5–6): 537. https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85559-S

24. Slanina Z. Teoretické aspekty fenoménu chemické isomerie. (Praha: Academia, 1981). [in Czech].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp04.01.078

Copyright (©) 2013 V. O. Pokrovskiy, A. G. Grebenyuk, E. M. Demianenko, V. S. Kuts, O. B. Karpenko, S. V. Snegir, N. T. Kartel

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.