Dielectric permittivity and AC conductivity in polycrystalline and amorphous C₆₀

J. Ortiz-López and R. Gómez-Aguilar

Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Física y Matemáticas, Edif. 9, U.P.A.L.M.-Zacatenco, 07738 México D.F., e-mail: jortiz@esfm.ipn.mx

Recibido el 11 de febrero de 2003.
Aceptado el 26 de junio de 2003.

Abstract

The dielectric permittivity and AC conductivity of polycrystalline and amorphous C₆₀ samples were measured at temperatures between 75 and 300 K and frequencies in the range 100 Hz to 1 MHz. For polycrystalline s amples we observe effects caused by O₂ molecular oxygen intercalation because prolonged exposure to ambient air. The conductivity σ of these samples around 300 K depends on the measuring frequency ν as σ ~ νⁿ with n ≈ 1 implying a strong reduction of DC conductivity to less than 10^-12 S/cm. Dielectric permittivity in polycrystalline samples shows an anomaly around 258 K due to its order-disorder phase transition and dielectric relaxation phenomena is observed in the range 130-200 K with an activation energy of 0.237 eV. In contrast with the polycrystalline samples, the amorphous C₆₀ samples prepared by sublimation do not contain interstitial O₂, their DC conductivity at 300 K is of about 10^-6 S/cm, is independent of frequency, and is well described by the hopping mechanism (Davis-Mott T^¼ law) in the 200-300 K range. All evidence of phase transitions and/or dielectric relaxation disappears in the amorphous samples.

Keywords: Conductivity; dielectric permittivity and relaxation; fullerenes.

Resumen

La permitividad dieléctrica y la conductividad AC de muestras policristalinas y amorfas de C₆₀ se midieron a temperaturas entre 75 y 300 K con frecuencias en el intervalo de 100 Hz a 1 MHz. Para las muestras policristalinas observamos efectos debidos a la intercalación de oxigeno molecular O₂ por una prolongada exposición al aire ambiente. La conductividad σ de estas muestras alrededor de 300 K, depende de la frecuencia de medición ν como σ ~ νⁿ con n ≈ 1, implicando una fuerte reducción de la conductividad DC a menos de 10^-12 S/cm. La permitividad dieléctrica en muestras policristalinas presenta una anomalía alrededor de 258 K debido a la transición de fase orden-desorden y, en el intervalo 100-200 K, se observan fenómenos de relajación dieléctrica con energía de activación de 0.237 eV. En contraste con las muestras policristalinas, las muestras C₆₀ amorfas preparadas por sublimación no contienen O₂ intersticial, su conductividad DC a 300 K es de alrededor de 10^-6 S/cm, es independiente de la frecuencia y queda bien descrita por el mecanismo de hopping (ley T^¼ de Davis-Mott) en el intervalo 200-300 K. Toda evidencia de transiciones de fase y/o relajación dieléctrica desaparece en las muestras amorfas.

Palabras clave: Conductividad; permitividad y relajación dieléctrica; fullerenos.

PACS: 72.20.Fr; 77.22.Gm; 77.22.Ch; 61.48.+c

Acknowledgments

One of us (J.O.L.) gratefully from CONACYT (México) grant Nos. F143-19201 and acknowledges partial support F-596-E9404, to CGPI-IPN for support to Projects Nos. 20010558 and 20020911, and to COFAA-IPN for a SIBE fellowship.

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