Kazutomo Suenaga van het Nanotube Research Center van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology en Ryosuke Senga van het Nano-carbon Characterization Team, NTRC, AIST, hebben een atomaire keten gesynthetiseerd waarin twee elementen afwisselend zijn uitgelijnd en hebben de fysieke eigenschappen ervan op atomair niveau geëvalueerd.

Een ionische kristallijne atoomketen van cesiumjodium (CsI) is gesynthetiseerd door een cesiumion (Cs+) uit te lijnen, een kation en een jodium-ion (I-), een anion, afwisselend door CsI in te kapselen in de microscopische ruimte in een koolstofnanobuisje. Verder, door gebruik te maken van een geavanceerde aberratie-gecorrigeerde elektronenmicroscoop, de fysieke verschijnselen die uniek zijn voor de CsI-atoomketen, zoals het verschil in dynamisch gedrag van zijn kationen en anionen, zijn ontdekt. In aanvulling, van theoretische berekening met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), deze CsI-atoomketen blijkt verschillende optische eigenschappen te geven van een driedimensionaal CsI-kristal, en toepassingen voor nieuwe optische apparaten worden verwacht.

Dit onderzoek is uitgevoerd als onderdeel van zowel het Strategic Basic Research Program van het Japan Science and Technology Agency als de Grants-in-aid for Scientific Research van de Japan Society for the Promotion of Science. De details van het onderzoek zijn online gepubliceerd in: Natuurmaterialen op 15 sept. 2014.

In de steeds sneller wordende informatiemaatschappij, elektronische apparaten die in computers en smartphones worden gebruikt, hebben voortdurend hogere prestaties en efficiëntie geëist. De materialen die momenteel verwachtingen wekken, zijn laagdimensionale materialen met een enkele tot enkele atoombreedte en -dikte. Tweedimensionale materialen, gekenmerkt door grafeen, geven unieke fysieke kenmerken aan die niet worden gevonden in driedimensionale materialen, zoals de uitstekende elektrische transporteigenschappen, en wordt uitgebreid onderzocht.

Een atoomketen, die een nog fijnere structuur heeft met een breedte van slechts één atoom, is voorspeld uitstekende elektrische transporteigenschappen te vertonen, zoals tweedimensionale materialen. Hoewel de verwachtingen vanuit het oogpunt van integratie hoger waren dan voor tweedimensionale materialen, het had tot nu toe weinig aandacht getrokken. Dit komt door de technologische moeilijkheden waarmee de verschillende processen van academisch onderzoek worden geconfronteerd, van synthese tot analyse van atoomketens, en academisch begrip is niet ver gevorderd (Fig. 1).

AIST heeft elementanalysemethoden ontwikkeld op een enkel atoomniveau om bepaalde speciale structuren te detecteren, waaronder onzuiverheden, doteringen en defecten, die de eigenschappen van laagdimensionale materialen zoals koolstofnanobuizen en grafeen beïnvloeden (AIST-persberichten op 6 juli, 2009, 12 januari 2010, 16 december 2010 en 9 juli 2012). In dit onderzoek, inspanningen werden geleverd voor de synthese en analyse van de atoomketen, een laagdimensionaal materiaal, gebruikmakend van de opgebouwde technologische expertise. Dit onderzoek is ondersteund door zowel het Strategic Basic Research Program van het Japan Science and Technology Agency (FY2012 tot FY2016), en de subsidies voor wetenschappelijk onderzoek van de Japan Society for the Promotion of Science, "Ontwikkeling van elementaire technologie voor de evaluatie en toepassing op atomaire schaal van laagdimensionale materialen met behulp van nano-ruimte" (FY2014 tot FY2016).

De ontwikkelde technologie is de technologie om koolstofnanobuisjes bloot te leggen, met een diameter van 1 nm of kleiner, naar CsI-damp om CsI in de microscopische ruimte in de koolstofnanobuisjes in te kapselen, om een ​​atoomketen te synthetiseren waarin twee elementen, Cs en ik, zijn afwisselend uitgelijnd. Verder, door aberratie-gecorrigeerde elektronenmicroscopie te combineren met een elektronische spectroscopische techniek die bekend staat als elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS), werd een gedetailleerde structurele analyse van deze atoomketen uitgevoerd. Om elk atoom te identificeren dat is uitgelijnd op een afstand van 1 nm of minder zonder ze te vernietigen, de versnellingsspanning van de elektronenmicroscoop werd significant verlaagd tot 60 kV om schade aan het monster door elektronenstralen te verminderen, met behoud van voldoende ruimtelijke resolutie van ongeveer 1 nm. Figuur 2 geeft het kleinste CsI-kristal aan dat tot nu toe is bevestigd, en de CsI-atoomketen die in dit onderzoek is gesynthetiseerd.

Figuur 3 toont het ringvormige donkerveld (ADF) beeld van de CsI-atoomketen en de elementtoewijzing voor Cs en I, respectievelijk, verkregen door EELS. Het is te zien dat de twee elementen afwisselend zijn uitgelijnd. Er is geen enkel bericht dat deze eenvoudige en ideale structuur daadwerkelijk wordt geproduceerd en geobserveerd, en men kan zeggen dat het een fundamentele, belangrijke ontdekking in de materiaalkunde.

Normaal gesproken, in een ADF-afbeelding, die met grotere atoomnummers lijken helderder. Echter, in deze CsI-atoomketen, I (atoomnummer 53) lijkt helderder dan Cs (atoomnummer 55). Dit komt omdat Cs, een kation zijn, beweegt actiever (nauwkeuriger, de totale hoeveelheid door het Cs-atoom verstrooide elektronen verschilt niet veel van die van het I-atoom, maar de elektronen die worden verstrooid door het bewegende Cs-atoom genereren ruimtelijke expansie), wat wijst op een verschil in dynamisch gedrag van het kation en het anion dat niet kan voorkomen in een groot driedimensionaal kristal. Locaties waar een enkel Cs-atoom of I-atoom afwezig is, namelijk vacatures, werden ook gevonden (Fig. 3, Rechtsaf).

Het unieke gedrag en de structuur beïnvloeden verschillende fysieke eigenschappen. Toen optische absorptiespectra werden berekend met behulp van DFT, de reactie van de CsI-atoomketen op licht verschilde met de richting van inval. Verder, er werd gevonden dat in een CsI-atoomketen met vacatures, de elektronentoestand van lege plaatsen waar het I-atoom afwezig is, hebben een donorniveau waarop elektronen gemakkelijk kunnen worden vrijgegeven, terwijl vacaturesites waar het Cs-atoom afwezig is, een receptorniveau hebben waarop elektronen gemakkelijk werden ontvangen. Door gebruik te maken van deze fysieke eigenschappen, toepassingen voor nieuwe elektro-optische apparaten, zoals een microlichtbron en een optische schakelaar die gebruikmaakt van lichtemissie van een enkele vacature in de CsI-atoomketen, denkbaar zijn. In aanvulling, verder onderzoek naar combinaties van andere elementen veroorzaakt door de huidige resultaten kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen en apparaattoepassingen. Er zijn verwachtingen dat atoomketens de materialen van de volgende generatie zullen zijn voor apparaten die op zoek zijn naar verdere miniaturisatie en integratie.

Omdat de CsI-atoomketen optische eigenschappen vertoont die significant verschillen van grote kristallen die door het menselijk oog kunnen worden gezien, er zijn verwachtingen voor de toepassing ervan voor nieuwe elektro-optische apparaten zoals een micro-lichtbron en een optische schakelaar die gebruik maakt van lichtemissie van een enkele vacature in de CsI-atoomketen. De onderzoekers gaan experimenteel onderzoek doen naar de toepassing ervan, gericht op gedetailleerde studie van de verschillende fysische eigenschappen, beginnend met zijn optische eigenschappen. Naast Csi, er zal ook gewerkt worden aan de ontwikkeling van nieuwe materialen die verschillende elementen combineren, door deze technologie toe te passen op andere materialen.

Verder, het mechanisme van alle adsorbentia van radioactieve stoffen (koolstofnanobuisjes, zeoliet, Pruisisch blauw, enz.) die momenteel worden ontwikkeld voor commercieel gebruik, zijn methoden voor het inkapselen van radioactieve atomen in een microscopisch kleine ruimte in het materiaal. De onderzoekers hopen de kennis van het gedrag van het Cs-atoom in een microscopische ruimte die in dit onderzoek is verkregen, te gebruiken, om de adsorptieprestaties te verbeteren.