Research Abstract


Conducting linear chains of sulphur inside carbon nanotubes

2013年7月12日 Nature Communications 4 : 2162 doi: 10.1038/ncomms3162

硫黄は200年以上にわたり幅広く研究されてきた。それにもかかわらず、理論的に導電性を示すと予測されていた単原子硫黄鎖が実験的に合成された例はこれまでになかった。今回我々は、カーボンナノチューブ内の制約空間を用いることで、これまで見いだされていなかった単原子硫黄鎖が合成できることについて報告する。この硫黄の一次元相は、高分解能透過型電子顕微鏡法と放射光を用いたX線回折法によって確認した。一次元硫黄鎖は、最長160 nmという長いドメインサイズと高い熱的安定性(約800 K)を示す。また、X線回折法によって、約450 K~650 Kの温度で一次元硫黄の急峻な構造転移が起こることを示した。バルク硫黄が金属化におよそ90 GPa以上の超高圧を要するのとは対照的に、我々の実験結果と電子構造計算および量子輸送計算から、一次元硫黄鎖が常圧で導電性を示すことを明らかにした。

藤森 利彦1, Aarón Morelos-Gómez2, Zhen Zhu3, 村松 寛之4, 二村 竜祐1, 瓜田 幸幾5, Mauricio Terrones1, 6, 林 卓哉7, 遠藤 守信1, Sang Young Hong8, Young Chul Choi8, David Tománek3 & 金子 克美1

  1. 信州大学 エキゾチック・ナノカーボンの創成と応用プロジェクト拠点
  2. 信州大学 カーボン科学研究所
  3. ミシガン州立大学(米国)
  4. 長岡技術科学大学 物質・材料系
  5. 長崎大学工学部応用化学科
  6. ペンシルベニア州立大学(米国)
  7. 信州大学 工学部
  8. ハンファケミカル株式会社(韓国)
Despite extensive research for more than 200 years, the experimental isolation of monatomic sulphur chains, which are believed to exhibit a conducting character, has eluded scientists. Here we report the synthesis of a previously unobserved composite material of elemental sulphur, consisting of monatomic chains stabilized in the constraining volume of a carbon nanotube. This one-dimensional phase is confirmed by high-resolution transmission electron microscopy and synchrotron X-ray diffraction. Interestingly, these one-dimensional sulphur chains exhibit long domain sizes of up to 160 nm and high thermal stability (~800 K). Synchrotron X-ray diffraction shows a sharp structural transition of the one-dimensional sulphur occurring at ~450–650 K. Our observations, and corresponding electronic structure and quantum transport calculations, indicate the conducting character of the one-dimensional sulphur chains under ambient pressure. This is in stark contrast to bulk sulphur that needs ultrahigh pressures exceeding ~90 GPa to become metallic.