To-element atomkæde syntetiseret ved hjælp af mikroskopisk plads inde i et kulstof nanorør

Kazutomo Suenaga fra Nanotube Research Center fra National Institute of Advanced Industrial Science and Technology og Ryosuke Senga fra Nano-carbon Characterization Team, NTRC, AIST, har syntetiseret en atomkæde, hvori to grundstoffer er rettet på skift og har vurderet dens fysiske egenskaber på atomniveau.

En ionisk krystallinsk atomkæde af cæsiumjod (CsI) er blevet syntetiseret ved at justere en cæsiumion (Cs+), en kation og en jodion (I-), en anion, skiftevis ved at indkapsle CsI i det mikroskopiske rum inde i et kulstofnanorør. Desuden, ved at bruge et avanceret aberrationskorrigeret elektronmikroskop, de fysiske fænomener, der er unikke for CsI-atomkæden, såsom forskellen i dynamisk opførsel af dets kationer og anioner, er blevet opdaget. Ud over, fra teoretisk beregning ved hjælp af tæthedsfunktionel teori (DFT), denne CsI-atomkæde har vist sig at indikere forskellige optiske egenskaber fra en tredimensionel CsI-krystal, og applikationer til nye optiske enheder forventes.

Denne forskning er blevet udført som en del af både det strategiske grundforskningsprogram fra Japan Science and Technology Agency og Grants-in-aid for Scientific Research fra Japan Society for the Promotion of Science. Detaljerne i undersøgelsen blev offentliggjort online i Naturmaterialer den 15. september, 2014.

I det accelererende og eksploderende informationssamfund, elektroniske enheder, der bruges i computere og smartphones, har konstant krævet højere ydeevne og effektivitet. De materialer, der i øjeblikket tegner forventninger, er lavdimensionelle materialer med en enkelt til få-atoms bredde og tykkelse. Todimensionelle materialer, kendetegnet ved grafen, angive unikke fysiske egenskaber, der ikke findes i tredimensionelle materialer, såsom dets fremragende elektriske transportegenskaber, og bliver grundigt undersøgt.

En atomkæde, som har en endnu finere struktur med en bredde på kun et atom, er blevet forudsagt at vise fremragende elektriske transportegenskaber, som todimensionelle materialer. Selvom forventningerne var højere end til todimensionelle materialer ud fra et integrationssynspunkt, det havde indtil nu tiltrukket sig lidt opmærksomhed. Dette er på grund af de teknologiske vanskeligheder, som de forskellige processer inden for akademisk forskning står over for fra syntese til analyse af atomkæder, og den akademiske forståelse er ikke nået langt (fig. 1).

AIST har udviklet elementanalysemetoder på enkeltatomniveau for at detektere visse specielle strukturer, herunder urenheder, dopingmidler og defekter, der påvirker egenskaberne af lavdimensionelle materialer såsom kulstofnanorør og grafen (AIST pressemeddelelser den 6. juli, 2009, 12. januar, 2010, 16. december, 2010 og 9. juli, 2012). I denne forskning, der blev gjort en indsats for syntese og analyse af atomkæden, et lavdimensionelt materiale, ved at bruge den akkumulerede teknologiske ekspertise. Denne forskning er blevet støttet af både det strategiske grundforskningsprogram fra Japan Science and Technology Agency (FY2012 til FY2016), og Grants-in-aid for videnskabelig forskning fra Japan Society for the Promotion of Science, "Udvikling af elementær teknologi til evaluering og anvendelse af lavdimensionelle materialer ved hjælp af nano-rum" (FY2014 til FY2016).

Den udviklede teknologi er teknologien til at eksponere kulstof nanorør, med en diameter på 1 nm eller mindre, til CsI-damp for at indkapsle CsI i det mikroskopiske rum inde i kulstofnanorørene, at syntetisere en atomkæde, hvori to grundstoffer, Cs og jeg, er justeret skiftevis. Desuden, ved at kombinere aberrationskorrigeret elektronmikroskopi og en elektronisk spektroskopisk teknik kendt som elektronenergitabsspektroskopi (EELS) blev der udført detaljeret strukturel analyse af denne atomkæde. For at identificere hvert atom, der er justeret i en afstand på 1 nm eller mindre uden at ødelægge dem, den accelererende spænding af elektronmikroskopet blev signifikant sænket til 60 kV for at reducere beskadigelse af prøven af ​​elektronstråler, samtidig med at der opretholdes tilstrækkelig rumlig opløsning på omkring 1 nm. Figur 2 viser den mindste CsI-krystal, der er bekræftet indtil videre, og CsI-atomkæden syntetiseret i denne forskning.

Figur 3 viser det ringformede mørkefelt (ADF) billede af CsI-atomkæden og elementkortlægningen for Cs og I, henholdsvis, opnået af EELS. Det kan ses, at de to elementer er justeret på skift. Der har ikke været nogen rapport om, at denne enkle og ideelle struktur faktisk er blevet produceret og observeret, og det kan siges at være et grundlæggende, vigtigt fund inden for materialevidenskab.

Normalt, i et ADF-billede, dem med større atomnummer ser lysere ud. Imidlertid, i denne CsI atomkæde, I (atomnummer 53) virker lysere end Cs (atomnummer 55). Dette skyldes, at Cs, at være en kation, bevæger sig mere aktivt (mere præcist, den samlede mængde elektroner spredt af Cs-atomet er ikke meget forskellig fra I-atomets, men elektronerne spredt af det bevægelige Cs-atom genererer rumlig ekspansion), hvilket indikerer en forskel i dynamisk opførsel af kationen og anionen, som ikke kan forekomme i en stor tredimensionel krystal. Steder, hvor et enkelt Cs-atom eller I-atom er fraværende, nemlig ledige stillinger, blev også fundet (fig. 3, ret).

Den unikke adfærd og struktur påvirker forskellige fysiske egenskaber. Når optiske absorptionsspektre blev beregnet ved hjælp af DFT, CsI-atomkædens reaktion på lys var forskellig med indfaldsretningen. Desuden, det blev fundet, at i en CsI-atomkæde med ledige stillinger, elektrontilstanden af ​​ledige steder, hvor I-atomet er fraværende, har et donorniveau, hvor elektroner let blev frigivet, mens ledige steder, hvor Cs-atomet er fraværende, har et receptorniveau, hvor elektroner let blev modtaget. Ved at gøre brug af disse fysiske egenskaber, applikationer til nye elektro-optiske enheder, såsom en mikrolyskilde og en optisk kontakt, der bruger lysudsendelse fra en enkelt ledig plads i CsI-atomkæden, er tænkelige. Ud over, yderligere forskning i kombinationer af andre elementer udløst af de nuværende resultater kan føre til udviklingen af ​​nye materialer og enhedsapplikationer. Der er forventninger om, at atomkæder skal være næste generations materialer til enheder på jagt efter yderligere miniaturisering og integration.

Da CsI-atomkæden udviser optiske egenskaber væsentligt forskellige fra store krystaller, der kan ses af det menneskelige øje, der er forventninger til dens anvendelse til nye elektro-optiske enheder såsom en mikrolyskilde og en optisk switch, der anvender lysemission fra en enkelt ledig plads i CsI-atomkæden. Forskerne vil udføre eksperimentel forskning i sin ansøgning, fokuseret på detaljeret undersøgelse af dets forskellige fysiske egenskaber, begyndende med dets optiske egenskaber. Ud over CsI, Der vil også blive arbejdet med udvikling af nye materialer, der kombinerer forskellige elementer, ved at anvende denne teknologi på andre materialer.

Desuden, mekanismen for alle adsorbenter af radioaktive stoffer (kulstof nanorør, zeolit, preussisk blå, osv.), der i øjeblikket udvikles til kommerciel brug, er metoder til at indkapsle radioaktive atomer i mikroskopisk rum i materialet. Forskerne håber at kunne udnytte viden om Cs-atomets adfærd i et mikroskopisk rum opnået i denne forskning, for at forbedre adsorptionsydelsen.