p Kazutomo Suenaga do Centro de Pesquisa de Nanotubos do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada e Ryosuke Senga da Equipe de Caracterização de Nano-carbono, NTRC, AIST, sintetizaram uma cadeia atômica na qual dois elementos estão alinhados alternadamente e avaliaram suas propriedades físicas em nível atômico. p Uma cadeia atômica cristalina iônica de iodo de césio (CsI) foi sintetizada alinhando um íon de césio (Cs +), um cátion e um íon de iodo (I-), um ânion, alternadamente, encapsulando CsI no espaço microscópico dentro de um nanotubo de carbono. Além disso, usando um microscópio eletrônico avançado com correção de aberração, os fenômenos físicos exclusivos da cadeia atômica CsI, como a diferença no comportamento dinâmico de seus cátions e ânions, foram descobertos. Além disso, do cálculo teórico usando a teoria do funcional da densidade (DFT), esta cadeia atômica CsI foi encontrada para indicar diferentes propriedades ópticas de um cristal CsI tridimensional, e aplicativos para novos dispositivos ópticos são antecipados.

p Esta pesquisa foi conduzida como parte do Programa Estratégico de Pesquisa Básica da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão e do Grants-in-aid for Scientific Research da Japan Society for the Promotion of Science. Os detalhes do estudo foram publicados online em Materiais da Natureza em 15 de setembro, 2014.

p Na crescente e crescente sociedade da informação, Dispositivos eletrônicos usados ​​em computadores e smartphones têm demandado constantemente maior desempenho e eficiência. Os materiais que atualmente geram expectativas são materiais de baixa dimensão, com largura e espessura de um a poucos átomos. Materiais bidimensionais, tipificado pelo grafeno, indicam características físicas únicas não encontradas em materiais tridimensionais, como suas excelentes propriedades de transporte elétrico, e estão sendo amplamente pesquisados.

p Uma cadeia atômica, que tem uma estrutura ainda mais fina com largura de apenas um átomo, foi previsto para exibir excelentes propriedades de transporte elétrico, como materiais bidimensionais. Embora as expectativas fossem maiores do que para os materiais bidimensionais do ponto de vista da integração, atraiu pouca atenção até agora. Isso se deve às dificuldades tecnológicas enfrentadas pelos diversos processos de pesquisa acadêmica, desde a síntese até a análise das cadeias atômicas, e a compreensão acadêmica não progrediu muito (Fig. 1).

p A AIST tem desenvolvido métodos de análise de elemento em um nível de átomo único para detectar certas estruturas especiais, incluindo impurezas, dopantes e defeitos, que afetam as propriedades de materiais de baixa dimensão, como nanotubos de carbono e grafeno (comunicados de imprensa da AIST em 6 de julho, 2009, 12 de janeiro 2010, 16 de dezembro 2010 e 9 de julho, 2012). Nesta pesquisa, esforços foram feitos para a síntese e análise da cadeia atômica, um material de baixa dimensão, utilizando o conhecimento tecnológico acumulado. Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pesquisa Básica Estratégica da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (FY2012 a FY2016), e os subsídios para pesquisa científica da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência, "Desenvolvimento de tecnologia elementar para avaliação em escala atômica e aplicação de materiais de baixa dimensão usando nanoespaço" (FY2014 a FY2016).

p A tecnologia desenvolvida é a tecnologia para expor nanotubos de carbono, com um diâmetro de 1 nm ou menor, ao vapor de CsI para encapsular o CsI no espaço microscópico dentro dos nanotubos de carbono, para sintetizar uma cadeia atômica em que dois elementos, Cs e I, estão alinhados alternadamente. Além disso, combinando microscopia eletrônica com correção de aberração e uma técnica espectroscópica eletrônica conhecida como espectroscopia de perda de energia eletrônica (EELS), uma análise estrutural detalhada desta cadeia atômica foi conduzida. Para identificar cada átomo alinhado a uma distância de 1 nm ou menos sem destruí-los, a tensão de aceleração do microscópio eletrônico foi reduzida significativamente para 60 kV para reduzir os danos à amostra por feixes de elétrons, enquanto mantém resolução espacial suficiente de cerca de 1 nm. A Figura 2 indica o menor cristal CsI confirmado até agora, e a cadeia atômica CsI sintetizada nesta pesquisa.

p A Figura 3 mostra a imagem de campo escuro anular (ADF) da cadeia atômica CsI e o mapeamento do elemento para Cs e I, respectivamente, obtido por EELS. Pode-se observar que os dois elementos estão alinhados alternadamente. Não houve qualquer relato desta estrutura simples e ideal sendo realmente produzida e observada, e pode-se dizer que é fundamental, importante achado na ciência dos materiais.

p Normalmente, em uma imagem ADF, aqueles com números atômicos maiores parecem mais brilhantes. Contudo, nesta cadeia atômica CsI, I (número atômico 53) parece mais brilhante do que Cs (número atômico 55). Isso ocorre porque Cs, sendo um cátion, se move mais ativamente (com mais precisão, a quantidade total de elétrons espalhados pelo átomo Cs não é muito diferente daqueles do átomo I, mas os elétrons espalhados pelo átomo Cs em movimento geram expansão espacial), indicando uma diferença no comportamento dinâmico do cátion e do ânion que não pode ocorrer em um grande cristal tridimensional. Locais onde um único átomo Cs ou átomo I está ausente, ou seja, vagas, também foram encontrados (Fig. 3, direito).

p O comportamento e a estrutura únicos influenciam várias propriedades físicas. Quando os espectros de absorção óptica foram calculados usando DFT, a resposta da cadeia atômica CsI à luz diferiu com a direção de incidência. Além disso, verificou-se que em uma cadeia atômica CsI com vagas, o estado de elétron de locais vagos onde o átomo I está ausente possuem um nível de doador no qual os elétrons foram facilmente liberados, enquanto os locais vazios onde o átomo Cs está ausente possuem um nível de receptor no qual os elétrons foram facilmente recebidos. Ao fazer uso dessas propriedades físicas, aplicações para novos dispositivos eletro-ópticos, como uma fonte de micro-luz e um interruptor óptico usando a emissão de luz de uma única vacância na cadeia atômica CsI, são concebíveis. Além disso, novas pesquisas em combinações de outros elementos desencadeadas pelos presentes resultados podem levar ao desenvolvimento de novos materiais e aplicações de dispositivos. Há expectativas de que as cadeias atômicas sejam os materiais da próxima geração para dispositivos em busca de maior miniaturização e integração.

p Uma vez que a cadeia atômica CsI exibe propriedades ópticas significativamente diferentes de grandes cristais que podem ser vistos pelo olho humano, há expectativa de sua aplicação para novos dispositivos eletro-ópticos, como uma fonte de microluz e um switch óptico que usa emissão de luz de uma única vaga na cadeia atômica do CsI. Os pesquisadores realizarão pesquisas experimentais em sua aplicação, focada no estudo detalhado de suas várias propriedades físicas, começando com suas propriedades ópticas. Além do CsI, esforços também serão feitos no desenvolvimento de novos materiais que combinem vários elementos, aplicando esta tecnologia a outros materiais.

p Além disso, o mecanismo de todos os adsorventes de substâncias radioativas (nanotubos de carbono, zeólito, Azul da Prússia, etc.) atualmente sendo desenvolvidos para uso comercial são métodos de encapsular átomos radioativos dentro do espaço microscópico do material. Os pesquisadores esperam utilizar o conhecimento do comportamento do átomo Cs em um espaço microscópico obtido nesta pesquisa, para melhorar o desempenho de adsorção.