Image réelle au microscope électronique et modèle de la chaîne atomique CsI encapsulée à l'intérieur d'un nanotube de carbone
Kazutomo Suenaga du Centre de recherche sur les nanotubes de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées et Ryosuke Senga de l'équipe de caractérisation des nano-carbones, NTRC, AIST, ont synthétisé une chaîne atomique dans laquelle deux éléments sont alignés alternativement et ont évalué ses propriétés physiques au niveau atomique.
Une chaîne atomique cristalline ionique d'iode de césium (CsI) a été synthétisée en alignant un ion de césium (Cs+), un cation et un ion iode (I-), un anion, alternativement en encapsulant du CsI dans l'espace microscopique à l'intérieur d'un nanotube de carbone. Par ailleurs, en utilisant un microscope électronique avancé à correction d'aberration, les phénomènes physiques propres à la chaîne atomique CsI, comme la différence de comportement dynamique de ses cations et anions, ont été découverts. En outre, à partir de calculs théoriques utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), cette chaîne atomique CsI s'est avérée indiquer des propriétés optiques différentes d'un cristal CsI tridimensionnel, et des applications à de nouveaux dispositifs optiques sont prévues.
Cette recherche a été menée dans le cadre du programme stratégique de recherche fondamentale de l'Agence japonaise pour la science et la technologie et des subventions pour la recherche scientifique de la Société japonaise pour la promotion de la science. Les détails de l'étude ont été publiés en ligne dans Matériaux naturels le 15 septembre, 2014.
Dans la société de l'information qui s'accélère et s'envole, Les appareils électroniques utilisés dans les ordinateurs et les smartphones ont constamment exigé des performances et une efficacité accrues. Les matériaux actuellement attendus sont des matériaux de faible dimension avec une largeur et une épaisseur d'un à quelques atomes. Matériaux bidimensionnels, caractérisé par le graphène, indiquer des caractéristiques physiques uniques que l'on ne trouve pas dans les matériaux tridimensionnels, telles que ses excellentes propriétés de transport électrique, et font l'objet de recherches approfondies.
Figure 1 :Transition des matériaux cibles dans la recherche de matériaux
Une chaîne atomique, qui a une structure encore plus fine avec une largeur d'un seul atome, a été prédit pour afficher d'excellentes propriétés de transport électrique, comme des matériaux bidimensionnels. Bien que les attentes soient plus élevées que pour les matériaux bidimensionnels du point de vue de l'intégration, il avait attiré peu d'attention jusqu'à présent. Cela s'explique par les difficultés technologiques rencontrées par les différents processus de la recherche académique depuis la synthèse jusqu'à l'analyse des chaînes atomiques, et la compréhension académique n'a pas beaucoup progressé (Fig. 1).
AIST a développé des méthodes d'analyse d'éléments au niveau d'un seul atome pour détecter certaines structures spéciales, y compris les impuretés, dopants et défauts, qui affectent les propriétés des matériaux de faible dimension tels que les nanotubes de carbone et le graphène (communiqués de presse de l'AIST du 6 juillet 2009, 12 janvier 2010, 16 décembre 2010 et 9 juillet 2012). Dans cette recherche, des efforts ont été faits pour la synthèse et l'analyse de la chaîne atomique, un matériau de faible dimension, en utilisant l'expertise technologique accumulée. Cette recherche a été soutenue à la fois par le programme stratégique de recherche fondamentale de l'Agence japonaise pour la science et la technologie (FY2012 à FY2016), et les subventions pour la recherche scientifique de la Société japonaise pour la promotion de la science, "Développement de la technologie élémentaire pour l'évaluation à l'échelle atomique et l'application de matériaux de faible dimension utilisant le nano-espace" (FY2014 à FY2016).
La technologie développée est la technologie pour exposer les nanotubes de carbone, avec un diamètre de 1 nm ou moins, à la vapeur de CsI pour encapsuler le CsI dans l'espace microscopique à l'intérieur des nanotubes de carbone, synthétiser une chaîne atomique dans laquelle deux éléments, Cs et moi, sont alignés alternativement. Par ailleurs, en combinant la microscopie électronique à correction d'aberration et une technique spectroscopique électronique connue sous le nom de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), une analyse structurelle détaillée de cette chaîne atomique a été menée. Afin d'identifier chaque atome aligné à une distance de 1 nm ou moins sans les détruire, la tension d'accélération du microscope électronique a été considérablement abaissée à 60 kV pour réduire les dommages causés à l'échantillon par les faisceaux d'électrons, tout en conservant une résolution spatiale suffisante de l'ordre de 1 nm. La figure 2 indique le plus petit cristal CsI confirmé jusqu'à présent, et la chaîne atomique CsI synthétisée dans cette recherche.
La figure 3 montre l'image annulaire en champ sombre (ADF) de la chaîne atomique CsI et la cartographie des éléments pour Cs et I, respectivement, obtenu par EELS. On voit que les deux éléments sont alignés alternativement. Il n'y a eu aucun rapport sur cette structure simple et idéale réellement produite et observée, et on peut dire que c'est un élément fondamental, découverte importante en science des matériaux.
Figure 2 :Comparaison de la chaîne atomique CsI et du cristal CsI (En haut :Images réelles annulaires en fond noir, En bas :modèles correspondants)
Normalement, dans une image ADF, ceux avec des numéros atomiques plus grands semblent plus brillants. Cependant, dans cette chaîne atomique CsI, I (numéro atomique 53) apparaît plus brillant que Cs (numéro atomique 55). C'est parce que Cs, étant un cation, se déplace plus activement (plus précisément, la quantité totale d'électrons diffusés par l'atome Cs n'est pas très différente de celle de l'atome I, mais les électrons diffusés par l'atome de Cs en mouvement génèrent une expansion spatiale), indiquant une différence de comportement dynamique du cation et de l'anion qui ne peut pas se produire dans un grand cristal tridimensionnel. Emplacements où un seul atome Cs ou I est absent, à savoir les postes vacants, ont également été trouvés (Fig. 3, droit).
Le comportement et la structure uniques influencent diverses propriétés physiques. Lorsque les spectres d'absorption optique ont été calculés à l'aide de DFT, la réponse de la chaîne atomique CsI à la lumière différait avec la direction d'incidence. Par ailleurs, il a été constaté que dans une chaîne atomique CsI avec des lacunes, l'état électronique des sites vacants où l'atome I est absent possède un niveau donneur auquel les électrons sont facilement libérés, tandis que les sites vacants où l'atome de Cs est absent possèdent un niveau de récepteur auquel les électrons ont été facilement reçus. En utilisant ces propriétés physiques, applications aux nouveaux dispositifs électro-optiques, comme une micro-source lumineuse et un interrupteur optique utilisant l'émission de lumière à partir d'une seule lacune dans la chaîne atomique CsI, sont envisageables. En outre, des recherches plus poussées sur les combinaisons d'autres éléments déclenchées par les présents résultats peuvent conduire au développement de nouveaux matériaux et applications de dispositifs. On s'attend à ce que les chaînes atomiques soient les matériaux de prochaine génération pour les appareils à la recherche d'une miniaturisation et d'une intégration plus poussées.
Figure 3 :Chaîne atomique CsI synthétisée, encapsulé dans un nanotube de carbone à double paroi. (De gauche à droite :image ADF, cartes d'éléments pour Cs et I, maquette, Image ADF des chaînes atomiques CsI avec des lacunes)
Étant donné que la chaîne atomique CsI présente des propriétés optiques très différentes de celles des gros cristaux visibles à l'œil humain, il y a des attentes pour son application pour de nouveaux dispositifs électro-optiques tels qu'une source de micro-lumière et un commutateur optique utilisant l'émission de lumière à partir d'une seule lacune dans la chaîne atomique CsI. Les chercheurs mèneront des recherches expérimentales dans son application, axé sur l'étude détaillée de ses diverses propriétés physiques, à commencer par ses propriétés optiques. En plus du CsI, des efforts seront également faits dans le développement de nouveaux matériaux qui combinent divers éléments, en appliquant cette technologie à d'autres matériaux.
Par ailleurs, le mécanisme de tous les adsorbants de substances radioactives (nanotubes de carbone, zéolite, Bleu de Prusse, etc.) actuellement en cours de développement pour une utilisation commerciale sont des méthodes d'encapsulation d'atomes radioactifs à l'intérieur de l'espace microscopique du matériau. Les chercheurs espèrent utiliser la connaissance du comportement de l'atome de Cs dans un espace microscopique obtenue dans cette recherche, pour améliorer les performances d'adsorption.
