電子顕微鏡内マニピュレーションによる低次元ナノ材料の原子スケール力学特性評価

通过电子显微镜操作对低维纳米材料进行原子尺度的机械表征

• 批准号: 25889073
• 负责人: 千賀 亮典
• 金额: $ 1.75万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-08-30 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-25889073/
• 关键词: 低次元ナノ材料; カーボンナノチューブ; 単原子鎖; イオン結晶; 透過走査電子顕微鏡; 電子エネルギー損失分光

低次元ナノ材料の物理特性評価をこれまでにない高精度で行うことを目的とし、カーボンナノチューブ内部に合成した各種材料の構造及び動的挙動の評価を、透過走査電子顕微鏡を用いて行った。最も重要な成果としてカーボンナノチューブ内部に合成した一次元イオン結晶が挙げられる。直径1nm以下の細いナノチューブを選択し、内部にCsIを導入することでカチオン(Cs+)とアニオン(I-)が交互に並んだイオン結晶性原子鎖の作製に成功した。このイオン結晶性原子鎖に対し透過走査電子顕微鏡法と電子エネルギー損失分光法による構造解析を行った。ここでは数オングストロームの間隔で並んだ原子を一つ一つ区別するために1オングストロームまで絞った電子線を用いている。また加速電圧を60kVまで下げることで試料への電子線によるダメージを低減している。これらの手法により、二つの原子が交互に並んだCsI原子鎖の構造を実験的に明らかにした。このイオン結晶性原子鎖は、単純かつ理想的な系として教科書の例題等に度々挙げられる構造ではあるが、実際に作製・観察に成功したという報告はこれまでなく、材料科学における基盤ともいうべき重要な知見である。こうした低次元構造において原子一つ一つの挙動は物理特性に大きく関わっていると同時に、バルク状態とは異なる物理特性を発現させる可能性を秘めている。上述のCsI原子鎖においても透過走査電子顕微鏡像におけるコントラストの違いからアニオンとカチオンの挙動に違いがあることを明らかにした。また、Cs原子一つ、あるいはI原子一つが原子鎖から抜けた点欠陥の存在も明らかになった。こうした特異的な原子の振る舞いや構造は各種物理特性、特に光学特性に寄与する可能性があり新たな応用も期待される。

为了以前所未有的精度评估低维纳米材料的物理性质，我们使用透射扫描电子显微镜来评估碳纳米管内合成的各种材料的结构和动态行为。最重要的结果是在碳纳米管内合成的一维离子晶体。通过选择直径小于1 nm的细纳米管并将CsI引入其内部，我们成功地创建了具有交替的阳离子（Cs+）和阴离子（I-）的离子晶体原子链。使用透射扫描电子显微镜和电子能量损失光谱对该离子晶体原子链进行结构分析。在这里，缩小到 1 埃的电子束用于区分以几埃间隔排列的单个原子。此外，通过将加速电压降低至 60kV，可以减少电子束对样品的损坏。利用这些方法，我们通过实验阐明了两个原子交替排列的 CsI 原子链的结构。这种离子晶体原子链是教科书示例中经常被引用为简单而理想的系统的结构，但目前还没有成功创建或观察到它的报道，应该将其视为材料科学的重要基础。发现。在这样的低维结构中，每个原子的行为与物理性质密切相关，同时，它有可能表现出不同于块体状态的物理性质。在上述CsI原子链中，从透射扫描电子显微镜图像的对比度差异揭示了阴离子和阳离子的行为存在差异。还揭示了点缺陷的存在，即原子链中缺少一个 Cs 原子或一个 I 原子。这些独特的原子行为和结构可能有助于各种物理性质，特别是光学性质，并且有望产生新的应用。