Immagine reale al microscopio elettronico e modello della catena atomica CsI incapsulata all'interno di un nanotubo di carbonio
Kazutomo Suenaga del Nanotube Research Center del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology e Ryosuke Senga del Nano-carbon Characterization Team, NTRC, AIST, hanno sintetizzato una catena atomica in cui due elementi sono allineati alternativamente e ne hanno valutato le proprietà fisiche a livello atomico.
Una catena atomica cristallina ionica di iodio cesio (CsI) è stata sintetizzata allineando uno ione cesio (Cs+), un catione e uno ione iodio (I-), un anione, alternativamente incapsulando CsI nello spazio microscopico all'interno di un nanotubo di carbonio. Per di più, utilizzando un microscopio elettronico avanzato con correzione dell'aberrazione, i fenomeni fisici unici della catena atomica CsI, come la differenza nel comportamento dinamico dei suoi cationi e anioni, sono stati scoperti. Inoltre, dal calcolo teorico utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT), questa catena atomica CsI è stata trovata per indicare diverse proprietà ottiche da un cristallo CsI tridimensionale, e sono previste applicazioni a nuovi dispositivi ottici.
Questa ricerca è stata condotta come parte sia del programma di ricerca strategica di base della Japan Science and Technology Agency che dei Grants-in-aid for Scientific Research della Japan Society for the Promotion of Science. I dettagli dello studio sono stati pubblicati online in Materiali della natura il 15 settembre, 2014.
Nella società dell'informazione in rapida crescita, i dispositivi elettronici utilizzati nei computer e negli smartphone hanno costantemente richiesto prestazioni ed efficienza più elevate. I materiali che attualmente rappresentano le aspettative sono materiali a bassa dimensione con una larghezza e uno spessore da uno a pochi atomi. Materiali bidimensionali, caratterizzato da grafene, indicare caratteristiche fisiche uniche non riscontrabili nei materiali tridimensionali, come le sue eccellenti proprietà di trasporto elettrico, e sono oggetto di ricerche approfondite.
Figura 1:Transizione dei materiali target nella ricerca sui materiali
Una catena atomica, che ha una struttura ancora più fine con una larghezza di un solo atomo, è stato previsto per mostrare eccellenti proprietà di trasporto elettrico, come materiali bidimensionali. Sebbene le aspettative fossero superiori a quelle per i materiali bidimensionali dal punto di vista dell'integrazione, aveva attirato poca attenzione fino ad ora. Ciò è dovuto alle difficoltà tecnologiche incontrate dai vari processi di ricerca accademica dalla sintesi all'analisi delle catene atomiche, e la comprensione accademica non è progredita molto (Fig. 1).
L'AIST ha sviluppato metodi di analisi degli elementi a livello di singolo atomo per rilevare alcune strutture speciali, comprese le impurità, droganti e difetti, che influiscono sulle proprietà di materiali a bassa dimensionalità come i nanotubi di carbonio e il grafene (comunicati stampa AIST del 6 luglio, 2009, 12 gennaio 2010, 16 dicembre 2010 e 9 luglio, 2012). In questa ricerca, sono stati compiuti sforzi per la sintesi e l'analisi della catena atomica, un materiale a bassa dimensione, utilizzando le competenze tecnologiche accumulate. Questa ricerca è stata supportata sia dallo Strategic Basic Research Program della Japan Science and Technology Agency (FY2012 to FY2016), e le sovvenzioni per la ricerca scientifica della Japan Society for the Promotion of Science, "Sviluppo della tecnologia elementare per la valutazione su scala atomica e l'applicazione di materiali a bassa dimensionalità utilizzando il nanospazio" (FY2014 to FY2016).
La tecnologia sviluppata è la tecnologia per esporre i nanotubi di carbonio, con un diametro di 1 nm o inferiore, al vapore di CsI per incapsulare CsI nello spazio microscopico all'interno dei nanotubi di carbonio, sintetizzare una catena atomica in cui due elementi, Cs ed io, sono allineati alternativamente. Per di più, combinando la microscopia elettronica con correzione dell'aberrazione e una tecnica spettroscopica elettronica nota come spettroscopia a perdita di energia elettronica (EELS) è stata condotta un'analisi strutturale dettagliata di questa catena atomica. Per identificare ogni atomo allineato a una distanza di 1 nm o meno senza distruggerli, la tensione di accelerazione del microscopio elettronico è stata significativamente ridotta a 60 kV per ridurre i danni al campione causati dai fasci di elettroni, mantenendo una risoluzione spaziale sufficiente di circa 1 nm. La figura 2 indica il cristallo di CsI più piccolo finora confermato, e la catena atomica CsI sintetizzata in questa ricerca.
La Figura 3 mostra l'immagine in campo oscuro anulare (ADF) della catena atomica CsI e la mappatura degli elementi per Cs e I, rispettivamente, ottenuto da EELS. Si vede che i due elementi sono allineati alternativamente. Non c'è stato alcun rapporto di questa struttura semplice e ideale effettivamente prodotta e osservata, e si può dire che è fondamentale, importante scoperta nella scienza dei materiali.
Figura 2:Confronto della catena atomica CsI e del cristallo CsI (In alto:immagini reali del campo oscuro anulare, In basso:modelli corrispondenti)
Normalmente, in un'immagine ADF, quelli con numeri atomici più grandi appaiono più luminosi. Però, in questa catena atomica CsI, I (numero atomico 53) appare più luminoso di Cs (numero atomico 55). Questo perché Cs, essendo un catione, si muove più attivamente (più precisamente, la quantità totale di elettroni diffusi dall'atomo Cs non è molto diversa da quella dell'atomo I, ma gli elettroni dispersi dall'atomo Cs in movimento generano espansione spaziale), indicando una differenza nel comportamento dinamico del catione e dell'anione che non può verificarsi in un grande cristallo tridimensionale. Luoghi in cui il singolo atomo Cs o l'atomo I è assente, vale a dire posti vacanti, sono stati trovati anche (Fig. 3, Giusto).
Il comportamento e la struttura unici influenzano varie proprietà fisiche. Quando gli spettri di assorbimento ottico sono stati calcolati utilizzando DFT, la risposta della catena atomica CsI alla luce differiva con la direzione di incidenza. Per di più, è stato trovato che in una catena atomica CsI con posti vacanti, lo stato elettronico dei siti vacanti in cui l'atomo I è assente possiede un livello di donatore al quale gli elettroni sono stati facilmente rilasciati, mentre i siti vacanti in cui l'atomo Cs è assente possiedono un livello di recettore al quale gli elettroni sono stati facilmente ricevuti. Sfruttando queste proprietà fisiche, applicazioni a nuovi dispositivi elettro-ottici, come una sorgente di microluce e un interruttore ottico che utilizza l'emissione di luce da un singolo posto vacante nella catena atomica CsI, sono concepibili. Inoltre, ulteriori ricerche su combinazioni di altri elementi innescate dai risultati attuali potrebbero portare allo sviluppo di nuovi materiali e applicazioni di dispositivi. Ci si aspetta che le catene atomiche siano i materiali di prossima generazione per i dispositivi in cerca di ulteriore miniaturizzazione e integrazione.
Figura 3:catena atomica CsI sintetizzata, incapsulato in nanotubi di carbonio a doppia parete. (Da sinistra:immagine ADF, mappe degli elementi per Cs e I, modello, immagine ADF di catene atomiche CsI con posti vacanti)
Poiché la catena atomica CsI mostra proprietà ottiche significativamente diverse dai grandi cristalli che possono essere visti dall'occhio umano, ci sono aspettative per la sua applicazione per nuovi dispositivi elettro-ottici come una sorgente di microluce e un interruttore ottico che utilizza l'emissione di luce da un singolo posto vacante nella catena atomica CsI. I ricercatori condurranno ricerche sperimentali nella sua applicazione, focalizzato sullo studio dettagliato delle sue varie proprietà fisiche, a cominciare dalle sue proprietà ottiche. Oltre a CsI, ci si impegnerà anche nello sviluppo di nuovi materiali che combinino vari elementi, applicando questa tecnologia ad altri materiali.
Per di più, il meccanismo di tutti gli adsorbenti di sostanze radioattive (nanotubi di carbonio, zeolite, Blu di Prussia, ecc.) attualmente in fase di sviluppo per uso commerciale sono metodi per incapsulare atomi radioattivi all'interno dello spazio microscopico nel materiale. I ricercatori sperano di utilizzare la conoscenza del comportamento dell'atomo Cs in uno spazio microscopico ottenuta in questa ricerca, per migliorare le prestazioni di adsorbimento.
