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

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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。