独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任 Sumio Iijima] 首席研究员 Kazutomo Suenaga 和碳测量与评估小组研究员 Akinori Senga 正在研究两种元素交替排列的原子链 (原子链)并评估了其原子水平的物理性质。
碳纳米管通过将碘化铯（CsI）限制在内部微观空间中，铯离子（Cs+) 和阴离子碘离子 (I-) 交替排列成一行离子晶体我们合成了一条 CsI 原子链。更前沿像差校正电子显微镜，我们发现了CsI原子链特有的新物理现象，例如阳离子和阴离子动态行为的差异。另外，密度泛函理论的理论计算研究表明，这种CsI原子链表现出不同于三维CsI晶体的光学特性，有望应用于新型光学器件。
这项研究的成果是作为日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究促进项目和日本学术振兴会科学研究补助金的一部分进行的。自然材料
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| 碳纳米管中限制的 CsI 原子链的实际电子显微镜图像和示意图 |
在日益快速和不断扩展的信息社会中，计算机和智能手机中使用的电子设备一直要求具有更高的性能和效率。低维材料仅具有一到几个原子的宽度或厚度，目前作为电子设备材料而受到关注。其中石墨烯因其三维材料所没有的特殊物理性能（例如优异的电传输性能）而引起人们的关注并被广泛研究。
另一方面，结构更加精细、宽度仅为一个原子的原子链有望像二维材料一样具有优异的电传输性能，从集成角度来看比二维材料有着更大的期望，但迄今为止却很少受到关注。这是因为学术研究涉及的各个过程，从原子链的合成到分析，技术难度较大，学术认识尚未深入（图1）。
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| 图1 材料研究中感兴趣的材料的变化 |
在AIST，杂质极大地影响了碳纳米管和石墨烯等低维材料的性能掺杂剂，正在致力于开发单原子水平的元素分析方法，以检测一些特殊结构，例如缺陷（2009 年 7 月 6 日、2010 年 1 月 12 日、2010 年 12 月 16 日、2012 年 7 月 9 日 AIST 新闻稿）。这次，我们利用这些技术积累来合成和分析原子链这种低维材料。该成果得到了JST战略创造性研究推进项目（2012-2018财年）和日本学术振兴会科学研究补助金“利用纳米空间的原子尺度评估和低维材料应用的基本技术开发（2014-2014财年）”的支持。
此次开发的技术，使CsI蒸气与直径1nm以下的碳纳米管接触，以高概率将其融入碳纳米管内部的微观空间，能够合成Cs和I两种元素交替排列的原子链。另外，使用像差校正电子显微镜进行观察和电子能量损失光谱的电子光谱技术，对该原子链进行了详细的结构分析。 （EELS）。为了将间隔1nm以下排列的原子一一区分而不破坏它们，电子显微镜可以检测间隔1nm以下排列的原子。空间分辨率的同时，将加速电压降低至60 kV，明显低于正常值，以减少电子束对样品造成的损坏。图2显示了迄今为止确认的最小CsI晶体以及本次合成的CsI原子链。
图3显示了CsI原子链的ADF图像以及通过EELS获得的Cs和I的元素映射。可以看出，两个元素交替排列在一条线上。迄今为止，还没有成功制造和观察这种简单而理想的结构的报道，这是一个堪称材料科学基础的重要发现。
另外，通常在 ADF 图像中，原子序数越高，看起来越亮，但在这个 CsI 原子链中，I（原子序数 53）看起来比 Cs（原子序数 55）更亮。这是因为作为阳离子的 Cs 离子的运动更加活跃（更准确地说，从 Cs 原子散射的电子总量几乎与 I 原子的电子总量相同，但 Cs 原子的运动在散射电子中产生了空间扩散），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不会出现。还发现原子链中存在缺少1个Cs原子或1个I原子的地方（缺陷）（图3右）。
这些独特的原子行为和结构影响各种物理性质。使用密度泛函理论光吸收光谱，我们发现CsI原子链对光的响应根据光入射方向的不同而不同。另外，作为有缺陷的CsI原子链的电子态，I原子离开的地方很可能会发射电子捐助者级别，Cs原子离开的地方有可能接受电子接受者级别通过利用这些物理特性，可以考虑将其应用于新型电光器件，例如利用 CsI 原子链中单个缺陷发射的光的微小光源和光开关。此外，如果这一结果引发对其他元素组合的进一步研究，可能会导致新材料和器件应用的开发，也有望成为需要进一步小型化和集成化的器件的下一代材料。
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图3 双壁碳纳米管内合成的CsI原子链
(左起：ADF图像、Cs和I的元素图、结构示意图、有缺陷的CsI原子链的ADF图像) |
由于CsI原子链表现出与大型可见晶体显着不同的光学特性，因此它们有望应用于新型电光器件，例如利用CsI原子链中单个缺陷发射光的微小光源和光开关。未来，我们将重点开展实验工作，对这些应用的各种物理特性（包括光学特性）进行详细检查。我们还将将该技术不仅应用于CsI，还应用于其他材料，并致力于开发结合各种元素的新材料。
最近的挑战是放射性物质（碳纳米管沸石、普鲁士蓝等）都是将放射性原子掺入材料内部微观空间的方法，我们希望利用我们获得的有关Cs原子在微观空间中行为的知识来提高吸附性能。