米乐m6官方网站 (AIST) 纳米管研究中心 (NTRC) 的 Kazutomo Suenaga（首席高级研究员）；所长：Sumio Iijima；所长：Ryoji Chubachi）和 AIST NTRC 纳米碳表征小组的 Ryosuke Senga（研究员）合成了两种元素交替排列的原子链，并在原子上评估了其物理性质水平。

铯碘 (CsI) 的离子晶体原子链是通过排列铯离子 (Cs⁺)、一个阳离子和一个碘离子 (I^-)，阴离子，交替地将CsI封装在碳纳米管内部的微观空间中。此外，通过使用先进的像差校正电子显微镜，还发现了CsI原子链独特的物理现象，例如其阳离子和阴离子的动态行为的差异。此外，通过密度泛函理论（DFT）的理论计算，发现该CsI原子链表现出与三维CsI晶体不同的光学特性，并有望应用于新型光学器件。

这项研究是日本科学技术振兴机构战略基础研究计划和日本学术振兴会科学研究补助金的一部分。该研究的详细信息在线发表于自然材料2014 年 9 月 15 日（日本标准时间）。

碳纳米管内封装的 CsI 原子链的实际电子显微镜图像和模型

在信息社会的加速发展和膨胀中，计算机和智能手机中使用的电子设备不断要求更高的性能和效率。目前备受期待的材料是具有单个至几个原子宽度和厚度的低维材料。以石墨烯为代表的二维材料具有三维材料所没有的独特物理特性，例如其优异的电传输性能，并且正在得到广泛的研究。

原子链具有更精细的结构，只有一个原子的宽度，预计会像二维材料一样表现出优异的电传输特性。尽管从集成的角度来看，人们对二维材料的期望更高，但迄今为止它还没有引起人们的关注。这是因为学术研究从原子链的合成到分析的各个过程都面临着技术难题，学术认识并没有取得多大进展（图1）。

图1：材料研究中目标材料的转变

AIST 一直在开发单原子水平的元素分析方法，以检测某些特殊结构，包括杂质、掺杂剂和缺陷，这些结构会影响碳纳米管和石墨烯等低维材料的性能（AIST 于 2009 年 7 月 6 日发布的新闻稿，2010 年 1 月 12 日，2010 年 12 月 16 日和 2012 年 7 月 9 日）。本研究利用积累的技术知识，致力于低维材料原子链的合成和分析。这项研究得到了日本科学技术振兴机构战略基础研究计划（2012财年至2016财年）和日本学术振兴会科学研究补助金“利用纳米空间低维材料的原子尺度评估和应用的基本技术开发”（2014财年至2016财年）的支持。

开发的技术是将直径为1纳米以下的碳纳米管暴露于CsI蒸气中，将CsI封装在碳纳米管内部的微观空间中，从而合成Cs和I两种元素交替排列的原子链的技术。此外，通过结合像差校正电子显微镜和称为电子能量损失光谱（EELS）的电子光谱技术，对该原子链进行了详细的结构分析。为了识别以 1 nm 或更小距离排列的每个原子而不破坏它们，电子显微镜的加速电压显着降低至 60 kV，以减少电子束对样品的损坏，同时保持 1 nm 左右的足够空间分辨率。图2显示了迄今为止已确认的最小CsI晶体，以及本研究合成的CsI原子链。

图2：CsI原子链和CsI晶体的比较 （上：实际环形暗场图像，下：相应模型）

图 3 显示了通过 EELS 获得的 CsI 原子链的环形暗场 (ADF) 图像以及 Cs 和 I 的元素映射。可以看出，两个元素交替对齐。目前还没有任何关于实际产生和观察到这种简单而理想的结构的报道，这可以说是材料科学中的一个基本的、重要的发现。

通常，在 ADF 图像中，原子序数较大的原子显得更亮。然而，在这个 CsI 原子链中，I（原子序数 53）看起来比 Cs（原子序数 55）更亮。这是因为Cs作为阳离子，运动更加活跃（更准确地说，Cs原子散射的电子总量与I原子相差不大，但运动的Cs原子散射的电子产生空间膨胀），这表明阳离子和阴离子的动态行为存在差异，而这种差异在大型三维晶体中是不可能出现的。还发现了单个 Cs 原子或 I 原子不存在的位置，即空位（图 3，右）。

独特的行为和结构影响各种物理特性。当使用 DFT 计算光学吸收光谱时，CsI 原子链对光的响应随入射方向的不同而不同。此外，发现在具有空位的CsI原子链中，缺少I原子的空位位点的电子态具有容易释放电子的供体能级，而缺少Cs原子的空位位点具有容易接收电子的受体能级。通过利用这些物理特性，可以想象将其应用于新型电光器件，例如微光源和利用 CsI 原子链中单个空位的光发射的光开关。此外，对当前结果引发的其他元素组合的进一步研究可能会导致新材料和设备应用的开发。人们期望原子链成为下一代设备材料，以寻求进一步的小型化和集成化。

图3：合成的CsI原子链，封装在双壁碳纳米管中 （左起：ADF图像、Cs和I的元素图、模型、带空位的CsI原子链的ADF图像）

由于CsI原子链显示出与人眼可见的大型晶体显着不同的光学特性，因此人们期待其在新型电光器件中的应用，例如利用CsI原子链中单个空位发光的微光源和光开关。研究人员将对其应用进行实验研究，重点是从光学特性开始详细研究其各种物理特性。除了CsI之外，还将致力于开发结合多种元素的新材料，并将该技术应用于其他材料。

此外，目前正在开发用于商业用途的所有放射性物质吸附剂（碳纳米管、沸石、普鲁士蓝等）的机理都是将放射性原子封装在材料的微观空间内的方法。研究人员希望利用本研究中获得的关于 Cs 原子在微观空间中行为的知识来提高吸附性能。