Imagen de microscopio electrónico real y modelo de cadena atómica CsI encapsulada dentro de nanotubos de carbono
Kazutomo Suenaga del Centro de Investigación de Nanotubos del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada y Ryosuke Senga del Equipo de Caracterización de Nanocarbono, NTRC, AIST, han sintetizado una cadena atómica en la que dos elementos se alinean alternativamente y han evaluado sus propiedades físicas a nivel atómico.
Se ha sintetizado una cadena atómica cristalina iónica de yodo de cesio (CsI) alineando un ion de cesio (Cs +), un catión y un ion yodo (I-), un anión, alternativamente encapsulando CsI en el espacio microscópico dentro de un nanotubo de carbono. Es más, mediante el uso de un microscopio electrónico avanzado con corrección de aberraciones, los fenómenos físicos exclusivos de la cadena atómica CsI, como la diferencia en el comportamiento dinámico de sus cationes y aniones, han sido descubiertos. Además, a partir del cálculo teórico utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT), Se ha encontrado que esta cadena atómica CsI indica diferentes propiedades ópticas de un cristal CsI tridimensional, y se anticipan aplicaciones a nuevos dispositivos ópticos.
Esta investigación se ha llevado a cabo como parte del Programa de Investigación Básica Estratégica de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología y las Subvenciones para la Investigación Científica de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia. Los detalles del estudio se publicaron en línea en Materiales de la naturaleza el 15 de septiembre 2014.
En la sociedad de la información que se acelera y se expande, Los dispositivos electrónicos utilizados en computadoras y teléfonos inteligentes han exigido constantemente un mayor rendimiento y eficiencia. Los materiales que actualmente generan expectativas son materiales de dimensiones reducidas con un ancho y un grosor de uno a pocos átomos. Materiales bidimensionales, tipificado por el grafeno, indicar características físicas únicas que no se encuentran en materiales tridimensionales, como sus excelentes propiedades de transporte eléctrico, y se están investigando exhaustivamente.
Figura 1:Transición de los materiales de destino en la investigación de materiales
Una cadena atómica que tiene una estructura aún más fina con un ancho de solo un átomo, se ha previsto que muestre excelentes propiedades de transporte eléctrico, como materiales bidimensionales. Aunque las expectativas eran más altas que para los materiales bidimensionales desde el punto de vista de la integración, había atraído poca atención hasta ahora. Esto se debe a las dificultades tecnológicas que enfrentan los diversos procesos de investigación académica desde la síntesis hasta el análisis de cadenas atómicas, y la comprensión académica no ha progresado mucho (Fig. 1).
AIST ha estado desarrollando métodos de análisis de elementos a nivel de un solo átomo para detectar ciertas estructuras especiales, incluidas las impurezas, dopantes y defectos, que afectan las propiedades de materiales de baja dimensión como los nanotubos de carbono y el grafeno (comunicados de prensa de AIST del 6 de julio de 2009, 12 de enero 2010, 16 de diciembre 2010 y 9 de julio de 2012). En esta investigación, Se realizaron esfuerzos para la síntesis y análisis de la cadena atómica, un material de pocas dimensiones, utilizando la experiencia tecnológica acumulada. Esta investigación ha sido apoyada tanto por el Programa de Investigación Básica Estratégica de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (FY2012 to FY2016), y las subvenciones para la investigación científica de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, "Desarrollo de tecnología elemental para la evaluación y aplicación a escala atómica de materiales de baja dimensión utilizando el nanoespacio" (FY2014 to FY2016).
La tecnología desarrollada es la tecnología para exponer nanotubos de carbono, con un diámetro de 1 nm o menos, a vapor de CsI para encapsular CsI en el espacio microscópico dentro de los nanotubos de carbono, para sintetizar una cadena atómica en la que dos elementos, Cs y yo se alinean alternativamente. Es más, Mediante la combinación de microscopía electrónica con corrección de aberraciones y una técnica espectroscópica electrónica conocida como espectroscopía electrónica de pérdida de energía (EELS) se realizó un análisis estructural detallado de esta cadena atómica. Para identificar cada átomo alineado a una distancia de 1 nm o menos sin destruirlos, el voltaje de aceleración del microscopio electrónico se redujo significativamente a 60 kV para reducir el daño a la muestra por haces de electrones, manteniendo una resolución espacial suficiente de alrededor de 1 nm. La Figura 2 indica el cristal de CsI más pequeño confirmado hasta ahora, y la cadena atómica CsI sintetizada en esta investigación.
La Figura 3 muestra la imagen anular de campo oscuro (ADF) de la cadena atómica CsI y el mapeo de elementos para Cs e I, respectivamente, obtenido por EELS. Se puede ver que los dos elementos están alineados alternativamente. No ha habido ningún informe de que esta estructura simple e ideal se haya producido y observado realmente, y se puede decir que es fundamental, hallazgo importante en la ciencia de los materiales.
Figura 2:Comparación de la cadena atómica CsI y el cristal CsI (Arriba:Imágenes anulares reales de campo oscuro, Abajo:modelos correspondientes)
Normalmente, en una imagen ADF, aquellos con números atómicos más grandes parecen más brillantes. Sin embargo, en esta cadena atómica CsI, I (número atómico 53) parece más brillante que Cs (número atómico 55). Esto se debe a que Cs, siendo un catión, se mueve más activamente (con más precisión, la cantidad total de electrones esparcidos por el átomo de Cs no es muy diferente a la del átomo de I, pero los electrones dispersos por el átomo de C en movimiento generan expansión espacial), lo que indica una diferencia en el comportamiento dinámico del catión y el anión que no puede ocurrir en un gran cristal tridimensional. Ubicaciones donde está ausente un átomo de Cs o un átomo de I, a saber, vacantes, también se encontraron (Fig.3, Derecha).
El comportamiento y la estructura únicos influyen en varias propiedades físicas. Cuando se calcularon los espectros de absorción óptica utilizando DFT, la respuesta de la cadena atómica CsI a la luz difirió con la dirección de incidencia. Es más, se encontró que en una cadena atómica CsI con vacantes, el estado de electrones de los sitios vacantes donde el átomo de I está ausente posee un nivel de donante en el que los electrones se liberan fácilmente, mientras que los sitios vacantes donde el átomo de Cs está ausente poseen un nivel de receptor en el que los electrones se reciben fácilmente. Haciendo uso de estas propiedades físicas, aplicaciones a nuevos dispositivos electro-ópticos, como una fuente de micro-luz y un interruptor óptico que utiliza la emisión de luz de una sola vacante en la cadena atómica CsI, son concebibles. Además, La investigación adicional de combinaciones de otros elementos provocados por los presentes resultados puede conducir al desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones de dispositivos. Se espera que las cadenas atómicas sean los materiales de próxima generación para dispositivos en busca de una mayor miniaturización e integración.
Figura 3:Cadena atómica CsI sintetizada, encapsulado en nanotubos de carbono de doble pared. (Desde la izquierda:imagen ADF, mapas de elementos para Cs e I, modelo, Imagen ADF de cadenas atómicas CsI con vacantes)
Dado que la cadena atómica CsI muestra propiedades ópticas significativamente diferentes de las de los cristales grandes que pueden ser vistos por el ojo humano, existen expectativas para su aplicación para nuevos dispositivos electro-ópticos como una fuente de micro-luz y un interruptor óptico que utiliza la emisión de luz de una sola vacante en la cadena atómica CsI. Los investigadores realizarán investigaciones experimentales en su aplicación, centrado en el estudio detallado de sus diversas propiedades físicas, empezando por sus propiedades ópticas. Además de CsI, También se harán esfuerzos en el desarrollo de nuevos materiales que combinen varios elementos, aplicando esta tecnología a otros materiales.
Es más, el mecanismo de todos los adsorbentes de sustancias radiactivas (nanotubos de carbono, zeolita Azul de Prusia, etc.) que se están desarrollando actualmente para uso comercial son métodos para encapsular átomos radiactivos dentro del espacio microscópico del material. Los investigadores esperan utilizar el conocimiento del comportamiento del átomo de Cs en un espacio microscópico obtenido en esta investigación. para mejorar el rendimiento de adsorción.
