糸でぶら下がっている: 単一原子の鎖のイメージングと調査: 科学者が単原子鎖を視覚化し、単一原子結合の強度とコンダクタンスを測定する方法を開発

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（左）技術の概略図。白金（Pt）原子鎖などのナノ材料の剛性は、水晶で作られた長さ延長共振器（LER）を使用して測定できます。鎖の原子構造は、透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して観察できます。 Pt単原子鎖の原子結合強度は25N / mであり、バルク値（20 N / m）よりも高いことがわかりました。（右）単原子Pt鎖の実験およびシミュレーションTEM画像と、ストレッチ中の電気コンダクタンスと剛性の時間発展。最大ひずみは平均24％でした。クレジット
大島義文

要約：
今日、エレクトロニクスや触媒作用などのさまざまな分野でよく研究されている多くの材料は、実用的な限界に近づいています。現代の技術をさらに改善し、最先端のデバイスを凌駕するために、新しい機能性材料を探している研究者は、限界を押し広げ、より極端なケースを探求する必要があります。この明確な例は、単原子層（2D材料）や単原子鎖（1D材料）などの低次元材料の研究です。

糸でぶら下がっている：単一原子の鎖のイメージングとプロービング：科学者は、単原子鎖を視覚化し、単一原子結合の強度とコンダクタンスを測定する方法を開発しています

石川、日本| 14年2021月XNUMX日に投稿

低次元の材料は、3Dバルクの対応物にはないエキゾチックな特性を示すことが何度も証明されています。たとえば、金や白金（Pt）のような金属の単原子鎖は、実用的なアプリケーションを見つけることができる方法で、磁気秩序や熱輸送などの特定の量子現象の寄与を示すことができます。しかし、XNUMX個以下の原子からなる単原子鎖で何が起こっているのかを実験的に観察することは非常に困難であり、単一原子結合の機械的特性はとらえどころのないままです。

この問題に取り組むために、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）の大島義文教授が率いる研究グループは、個々の原子結合の強度を測定するための新しい有望な技術を開拓しています。 Nano Lettersに掲載され、戦略を紹介した最新の研究には、JAISTの研究者（張博士、石塚博士、富鳥教授、前園教授、本郷教授）と金沢大学の荒井教授が参加しました。北陸先端科学技術大学院大学（SISSA）およびアブダスサラム国際理論物理学センター（ICTP）のトサッティ教授。

大島が「微視的ナノメカニクス測定法」と名付けたこの新しい技術は、透過型電子顕微鏡法（TEM）と石英長さ延長共振器（LER）を組み合わせたものです。 TEMは、個々の原子を特定するのに十分な、信じられないほど高い空間分解能を備えた広く使用されているイメージング技術です。一方、LERは、数十兆分のXNUMXメートルという信じられないほど小さな振幅で振動し、力センサーとして機能するデバイスです。

研究者たちは、小さなPt接合部がその絶対的な破壊点まで引き伸ばされる、つまり25つのPtが20〜24個の原子の単原子鎖によって結合される実験装置を考案しました。 TEMでピースを注意深く位置合わせすることにより、彼らは単原子Pt鎖の形成と切断をリアルタイムで観察しました。さらに、クォーツLERを使用して、チェーン全体のコンダクタンスとその剛性を測定し、そこから個々のPt結合の強度を計算することに成功しました。「単原子Pt鎖の5N / mの結合強度は、特にバルクPt結晶に通常見られるXNUMX N / mと比較して、非常に高いことがわかりました」とZhang氏はコメントします。「さらに、これらの単一原子結合は、通常の距離の約XNUMX％まで伸ばすことができます。これは、バルクのPt原子間の結合を伸ばすことができるXNUMX％とはまったく対照的です」と彼は付け加えます。

研究の結果は、単原子鎖結合を精査するこの新しい技術の可能性を示しています。これは、低次元材料の界面または表面のより良い理解につながる可能性があります。「私たちの方法は、先端材料や触媒の設計に大きく貢献するだけでなく、表面または界面のナノメカニクスの観点からナノスケールの現象に光を当てることができます」と大島氏は強調します。次に、より洗練された材料とその表面特性のより良い理解は、間違いなくエレクトロニクス、化学、ナノテクノロジーの分野を進歩させ、革新的で、うまくいけば持続可能な設計への道を開くでしょう。

「糸でぶら下がっている」という表現は、ナノマテリアル科学においてまもなくより肯定的な意味を持つようになる可能性が非常に高いです。

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北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）について
1990年に石川県に設立された北陸先端科学技術大学院（JAIST）は、日本で最初の独立した国立大学院でした。現在、30年の着実な進歩の後、JAISTは日本のトップクラスの大学の40つになりました。 JAISTは複数のサテライトキャンパスを数え、多様性が鍵となる最先端の教育システムで有能なリーダーの育成に努めています。同窓生の約XNUMX％が留学生です。大学は、学生が最先端の研究を実施するための強固な基盤を確実に持つように、慎重に設計されたコースワーク指向のカリキュラムに基づいた独自の大学院教育スタイルを持っています。 JAISTはまた、産学共同研究を推進することにより、地域社会と海外のコミュニティの両方と緊密に協力しています。

北陸先端科学技術大学院大学の大島義文教授について

大島義文が博士号を取得東京工業大学で修士号を取得し、1995年から2010年まで助教として勤務しました。彼は2014年に准教授としてJAISTに加わり、2018年に正教授になりました。現在、薄膜表面と界面、固体物理学、ナノ材料、ナノ接触物理学を専門とする大島研究所を率いています。彼は約200の論文を発表し、XNUMX冊の本を執筆しています。

資金調達情報

この作品は、日本学術振興会科研費（助成番号18H01825、18H03879）の助成を受けました。この作業での計算は、JAISTの先端コンピューティングインフラストラクチャ研究センターの施設を使用して実行されました。 Jiaqi Zhangは、日本科学協会の笹川科学研究助成金および丸文研究振興財団の交換研究助成プロジェクトによる財政的支援に感謝します。 Erio Tosattiは、ERCULTRADISS契約番号834402およびイタリア大学研究省によるPRINUTFROM N.20178PZCB5によるサポートを認めています。

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コンタクト：
大島義文
81-761-511

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