Kazutomo Suenaga från Nanotube Research Center vid National Institute of Advanced Industrial Science and Technology och Ryosuke Senga från Nano-carbon Characterization Team, NTRC, AIST, har syntetiserat en atomkedja i vilken två element är inriktade växelvis och har utvärderat dess fysikaliska egenskaper på atomnivå.

En jonisk kristallin atomkedja av cesiumjod (CsI) har syntetiserats genom att justera en cesiumjon (Cs+), en katjon och en jodjon (I-), en anjon, växelvis genom att kapsla in CsI i det mikroskopiska utrymmet inuti ett kolnanorör. Vidare, genom att använda ett avancerat aberrationskorrigerat elektronmikroskop, de fysiska fenomen som är unika för CsI-atomkedjan, såsom skillnaden i dynamiskt beteende hos dess katjoner och anjoner, har upptäckts. Dessutom, från teoretisk beräkning med hjälp av densitetsfunktionell teori (DFT), denna CsI-atomkedja har visat sig indikera olika optiska egenskaper från en tredimensionell CsI-kristall, och tillämpningar för nya optiska enheter förväntas.

Denna forskning har utförts som en del av både det strategiska grundforskningsprogrammet från Japan Science and Technology Agency och Grants-in-aid for Scientific Research från Japan Society for the Promotion of Science. Detaljerna om studien publicerades online i Naturmaterial den 15 september, 2014.

I det accelererande och explosiva informationssamhället, elektroniska enheter som används i datorer och smartphones har ständigt krävt högre prestanda och effektivitet. De material som för närvarande ställer förväntningar är lågdimensionella material med en bredd och tjocklek från en till få atomer. Tvådimensionella material, typiserat med grafen, ange unika fysiska egenskaper som inte finns i tredimensionella material, såsom dess utmärkta elektriska transportegenskaper, och undersöks flitigt.

En atomkedja, som har en ännu finare struktur med en bredd på endast en atom, har förutspåtts uppvisa utmärkta elektriska transportegenskaper, som tvådimensionella material. Även om förväntningarna var högre än för tvådimensionella material ur integrationssynpunkt, det hade väckt lite uppmärksamhet tills nu. Detta beror på de tekniska svårigheter som de olika processerna inom akademisk forskning står inför från syntes till analys av atomkedjor, och den akademiska förståelsen har inte kommit långt (fig. 1).

AIST har utvecklat elementanalysmetoder på en enatomsnivå för att detektera vissa speciella strukturer inklusive föroreningar, dopningsmedel och defekter, som påverkar egenskaperna hos lågdimensionella material som kolnanorör och grafen (AIST-pressmeddelanden den 6 juli, 2009, 12 januari, 2010, 16 december, 2010 och 9 juli, 2012). I denna forskning, ansträngningar gjordes för syntes och analys av atomkedjan, ett lågdimensionellt material, använda den samlade tekniska expertisen. Denna forskning har fått stöd av både det strategiska grundforskningsprogrammet från Japan Science and Technology Agency (FY2012 till FY2016), och Grants-in-aid for Scientific Research från Japan Society for the Promotion of Science, "Utveckling av elementär teknologi för utvärdering och tillämpning av lågdimensionella material i atomär skala med användning av nanorymd" (FY2014 till FY2016).

Den utvecklade tekniken är tekniken för att exponera kolnanorör, med en diameter på 1 nm eller mindre, till CsI -ånga för att inkapsla CsI i det mikroskopiska utrymmet inuti kolnanorören, att syntetisera en atomkedja i vilken två element, Cs och jag, är inriktade växelvis. Vidare, genom att kombinera aberrationskorrigerad elektronmikroskopi och en elektronisk spektroskopisk teknik känd som elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) utfördes detaljerad strukturanalys av denna atomkedja. För att identifiera varje atom som är inriktad på ett avstånd av 1 nm eller mindre utan att förstöra dem, elektronmikroskopets accelerationsspänning sänktes signifikant till 60 kV för att minska skadan på provet av elektronstrålar, samtidigt som tillräcklig rumslig upplösning på cirka 1 nm bibehålls. Figur 2 visar den minsta CsI -kristall som bekräftats hittills, och CsI-atomkedjan som syntetiserats i denna forskning.

Figur 3 visar den ringformade mörkfältsbilden (ADF) av CsI-atomkedjan och elementmappningen för Cs och I, respektive, erhållits av EELS. Det kan ses att de två elementen är inriktade omväxlande. Det har inte förekommit någon rapport om att denna enkla och ideala struktur faktiskt produceras och observeras, och det kan sägas vara en grundläggande, viktigt fynd inom materialvetenskap.

I vanliga fall, i en ADF-bild, de med större atomnummer verkar ljusare. Dock, i denna CsI-atomkedja, I (atomnummer 53) verkar ljusare än Cs (atomnummer 55). Detta beror på att Cs, vara en katjon, rör sig mer aktivt (mer exakt, den totala mängden elektroner som sprids av Cs-atomen skiljer sig inte mycket från I-atomens, men elektronerna spridda av den rörliga Cs -atomen genererar rumslig expansion), vilket indikerar en skillnad i dynamiskt beteende hos katjonen och anjonen som inte kan förekomma i en stor tredimensionell kristall. Platser där en enda Cs-atom eller I-atom saknas, nämligen lediga platser, hittades också (bild 3, höger).

Det unika beteendet och strukturen påverkar olika fysiska egenskaper. När optiska absorptionsspektra beräknades med DFT, responsen från CsI-atomkedjan på ljus skilde sig med infallsriktningen. Vidare, man fann att i en CsI-atomkedja med vakanser, elektrontillståndet för vakansställen där I-atomen är frånvarande har en donatornivå vid vilken elektroner lätt frigörs, medan lediga platser där Cs-atomen är frånvarande har en receptornivå vid vilken elektroner lätt togs emot. Genom att använda dessa fysiska egenskaper, applikationer för nya elektrooptiska enheter, såsom en mikroljuskälla och en optisk omkopplare som använder ljusemission från en enda vakans i CsI-atomkedjan, är tänkbara. Dessutom, ytterligare forskning om kombinationer av andra element som utlöses av de nuvarande resultaten kan leda till utvecklingen av nya material och enhetstillämpningar. Det finns förväntningar på att atomkedjor ska vara nästa generations material för enheter på jakt efter ytterligare miniatyrisering och integration.

Eftersom CsI-atomkedjan uppvisar optiska egenskaper som skiljer sig väsentligt från stora kristaller som kan ses av det mänskliga ögat, det finns förväntningar för dess tillämpning för nya elektro-optiska enheter som en mikro-ljuskälla och en optisk switch med ljusemission från en enda vakans i CsI-atomkedjan. Forskarna kommer att genomföra experimentell forskning i sin tillämpning, fokuserade på detaljerade studier av dess olika fysiska egenskaper, börjar med dess optiska egenskaper. Förutom CsI, insatser kommer också att göras för att utveckla nya material som kombinerar olika element, genom att tillämpa denna teknik på andra material.

Vidare, mekanismen för alla adsorbenter av radioaktiva ämnen (kolnanorör, zeolit, Preussisk blå, etc.) som för närvarande utvecklas för kommersiellt bruk är metoder för att kapsla in radioaktiva atomer i mikroskopiskt utrymme i materialet. Forskarna hoppas kunna utnyttja kunskapen om Cs-atomens beteende i ett mikroskopiskt utrymme som erhållits i denna forskning, för att förbättra adsorptionsprestanda.