The geometric and electronic structures of metal-substituted fullerene C59Sm and exohedral fullerenes C60Sm are studied using the density-functional theory. The geometric optimization shows that the replacement of a C atom with a Sm in C60 yields a stable substitutionally doped fullerene C59Sm, and among the five possible optimized geometries for C60Sm, the most favorable exohedral sites are above the center of a hexagon and a pentagon ring. The calculations for electronic structures show that the magnetic moment of Sm is preserved for all the stable structures as tiny hybridization takes place between the orbitals of the Sm atom and those of their neighboring carbons. Because of the small energy gaps and the half occupation of the highest occupied molecular orbitals, all the stable C60Sm isomers are inferred to be conductors.

1.
H. W.
Kroto
,
J. R.
Heath
,
S. C.
O’Brien
,
R. F.
Curl
, and
R. E.
Smalley
,
Nature (London)
318
,
162
(
1985
).
2.
W.
Krátschmer
,
L. D.
Lamb
,
K.
Fostiropoulos
, and
D. R.
Huffman
,
Nature (London)
347
,
354
(
1990
).
3.
W.
Branz
,
I. M.L.
Billas
,
N.
Malinowski
,
F.
Tast
,
M.
Heinebrodt
, and
T. P.
Martin
,
J. Chem. Phys.
109
,
3425
(
1998
).
4.
D. S.
Bethune
,
R. D.
Johnson
,
J. R.
Salem
,
M. S.
De Vries
, and
C. S.
Yannoni
,
Nature (London)
366
,
123
(
1993
).
5.
H.
Shinohara
,
Adv. Met. Semicond. Clusters
4
,
205
(
1998
).
6.
H.
Shinohara
,
M.
Tanaka
,
M.
Sakata
,
T.
Hashizume
, and
T.
Sakurai
,
Mater. Sci. Forum
232
,
207
(
1996
).
7.
T.
Guo
,
C.
Jin
, and
R. E.
Smalley
,
J. Phys. Chem.
95
,
4948
(
1991
).
8.
W.
Andreoni
,
F.
Gygi
, and
M.
Parinello
,
Chem. Phys. Lett.
190
,
159
(
1992
).
9.
N.
Kurita
,
K.
Kobayashi
,
H.
Kumahora
,
K.
Tago
, and
K.
Ozawa
,
Chem. Phys. Lett.
198
,
95
(
1992
).
10.
R.
Yu
,
M.
Zhan
,
D.
Cheng
,
S.
Yang
,
Z.
Liu
, and
L.
Zheng
,
J. Phys. Chem.
99
,
1818
(
1995
).
11.
J. C.
Hummelen
,
B.
Knight
,
J.
Pavlovich
,
R.
González
, and
F.
Wudl
,
Science
269
,
1554
(
1995
).
12.
H. J.
Muhr
,
R.
Nesper
,
B.
Schnyder
, and
R.
Kótz
,
Chem. Phys. Lett.
249
,
399
(
1996
).
13.
Q.
Kong
,
J.
Zhuang
,
X.
Li
,
R.
Cai
,
L.
Zhao
,
S.
Qian
, and
Y.
Li
,
Appl. Phys. A
75
,
367
(
2002
).
14.
P.
Ordejón
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Rev. B
53
,
R10441
(
1996
).
15.
D.
Sánchez-Portal
,
P.
Ordejón
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Int. J. Quantum Chem.
65
,
453
(
1997
).
16.
E.
Artacho
,
D.
Sánchez-Portal
,
P.
Ordejón
,
A.
García
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Status Solidi B
215
,
809
(
1999
).
17.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
88
,
1053
(
1988
).
18.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
19.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
20.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
21.
DMOL version 960,
Biosym Technologies
, San Diego, CA,
1996
.
22.
R.
Fletcher
,
Practical Methods of Optimization
(
Wiley
,
New York
,
1980
), Vol.
1
.
23.
S. Y.
Liu
and
S. Q.
Sun
,
J. Organomet. Chem.
599
,
74
(
2000
).
24.
T.
Guo
,
C.
Jin
, and
R. E.
Smalley
,
J. Phys. Chem.
95
,
4948
(
1991
).
25.
J. M.
Hawkins
,
A.
Meyer
,
T. A.
Lewis
,
S.
Loren
, and
F. J.
Hollander
,
Science
252
,
312
(
1991
).
26.
F.
Leclercg
,
P.
Damay
,
M.
Foukani
,
P.
Chieux
,
M. C.
Bellissent-Funel
,
A.
Rasat
, and
C.
Fabre
,
Phys. Rev. B
48
,
2748
(
1993
).
27.
K.
Hedberg
,
L.
Hedberg
,
D. S.
Bethune
,
C. A.
Brown
,
H. C.
Dorn
,
R. D.
Johnson
, and
M.
de Vries
,
Science
254
,
410
(
1991
).
28.
R. E.
Haufler
,
L. S.
Wang
,
L. P.F.
Chibante
,
C. M.
Jin
,
J.
Conceicao
,
Y.
Chai
, and
R. E.
Smalley
,
Chem. Phys. Lett.
179
,
449
(
1991
).
29.
H. S.
Chen
,
A. R.
Kortan
,
R. C.
Haddon
,
M. L.
Kaplan
,
C. H.
Chen
,
A. M.
Mujsce
,
H.
Chou
, and
D. A.
Fleming
,
Appl. Phys. Lett.
59
,
2956
(
1991
).
30.
D.
Wang
,
C.
Zhao
, and
D. L.
Phillips
,
Organometallics
23
,
1953
(
2004
).
31.
G. R.
Giesbrecht
,
C.
Cui
,
A.
Shafir
,
J. A.R.
Schmidt
, and
J.
Arnold
,
Organometallics
21
,
3841
(
2002
).
32.
Y.
Luo
,
J.
Baldamus
,
O.
Tardif
, and
Z.
Hou
,
Organometallics
24
,
4362
(
2005
).
33.
O. V.
Manoilova
,
S. G.
Podkolzin
,
B.
Tope
,
J.
Lercher
,
E. E.
Stangland
,
J.-M.
Goupil
, and
B. M.
Weckhuysen
,
J. Phys. Chem. B
108
,
15770
(
2004
).
34.
R.
Zhang
,
A.
Dinca
,
K. J.
Fisher
,
D. R.
Smith
, and
G. D.
Willett
,
J. Phys. Chem. A
109
,
157
(
2005
).
35.
A.
Rogachev
,
N.
Kuzmina
, and
A.
Nemukhin
,
J. Alloys Compd.
374
,
335
(
2004
).
36.
Y.
Luo
,
P.
Selvam
,
Y.
Ito
,
M.
Kubo
, and
A.
Miyamoto
,
Inorg. Chem. Commun.
6
,
1243
(
2003
).
37.
F.
Goubin
,
X.
Rocquefelte
,
D.
Pauwels
,
A.
Tressaud
,
A.
Demourgues
,
S.
Jobic
, and
Y.
Montardi
,
J. Solid State Chem.
177
,
2833
(
2004
).
38.
M. M.G.
Alemany
,
O.
Diéguez
,
C.
Rey
, and
L. J.
Gallego
,
J. Chem. Phys.
114
,
9371
(
2001
).
39.
D.
Changgeng
,
Y.
Jinlong
, and
C.
Xiangyuan
,
J. Chem. Phys.
111
,
8481
(
1999
).
40.
D.
Changgeng
and
Y.
Jinlong
,
Phys. Rev. A
64
,
043201
(
2001
).
41.
J.
Arvanitidis
,
K.
Papagelis
,
S.
Margadonna
,
K.
Prassides
, and
A. N.
Fitch
,
Nature (London)
425
,
599
(
2003
).
42.
D. H.
Chi
,
Y.
Iwasa
,
X. H.
Chen
,
T.
Takenobu
,
T.
Ito
,
T.
Mitani
,
E.
Nishibori
,
M.
Takata
,
M.
Sakata
, and
Y.
Kubozono
,
Chem. Phys. Lett.
359
,
177
(
2002
).
43.
C.
Ray
,
M.
Pellarin
,
J.
Lermé
,
J. L.
Vialle
,
M.
Broyer
,
X.
Blase
,
P.
Mélinon
,
P.
Kéghélian
, and
A.
Perez
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
5365
(
1998
).
44.
T.
Okazaki
,
K.
Suenaga
,
Y.
Lian
,
Z.
Gu
, and
H.
Shinohara
,
J. Mol. Graphics Modell.
19
,
244
(
2001
).
45.
W. J.
Evans
,
J. M.
Perotti
,
S. A.
Kozimor
,
T. M.
Champagne
,
B. L.
Davis
,
G. W.
Nyce
,
C. H.
Fujimoto
,
R. D.
Clark
,
M. A.
Johnston
, and
J. W.
Ziller
,
Organometallics
24
,
3916
(
2005
).
46.
M.
Menon
,
A. N.
Andriotis
, and
G. E.
Froudakis
,
Chem. Phys. Lett.
320
,
425
(
2000
).
You do not currently have access to this content.