環境理工学群の藤田 武志教授は、筑波大学数理物質系 近藤 剛弘准教授、東京工業大学理学院 豊田 雅之助教、東京農工大学大学院工学研究院 山本 明保准教授、名古屋大学工学研究科 徳永 智春助教、高エネルギー加速器研究機構 堀場 弘司准教授らのとの共同研究により、新しい半導体物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功しました。

硫化ホウ素シートは、ホウ素と硫黄から構成される原子4層の厚みの二次元状に広がった物質で、優れた熱電特性や水素吸蔵特性を示すことが理論的に予測されていました。しかしながら、これまでに実際に合成あるいは観測された報告はありませんでした。本研究では菱面体硫化ホウ素という層状の物質の表面を剥離することにより、硫化ホウ素シートの生成に成功しました。

分析の結果、この硫化ホウ素シートは、ホウ素と硫黄が共有結合した半導体であり、このシートを重ね合わせることで、バンドギャップが最大で1.0 eV（エレクトロンボルト）程度変化することが分かりました。これは、太陽電池やトランジスタなどの電子デバイス部品や、光触媒として用いる上で重要な特性です。さらに、電子の有効質量が軽いという性質を持ったn型半導体であることが計算により示されました。

今後、理論予測されていた熱電材料や水素貯蔵材料としての応用に加え、電子デバイスの半導体部品としての利用や、光触媒としての応用、光に反応するセンサー材料など、幅広い分野への展開が期待されます。

図(a) 菱面体硫化ホウ素の透過電子顕微鏡像。試料から剥離されたシートが中央に見られる。(b) 硫化ホウ素シートの透過電子顕微鏡像。A-A'の間には57個の輝点が観察され、それぞれの輝点間隔の0.18 nm（ナノメートル）が並んでいる原子の間隔に対応する。

藤田教授は「今回合成された硫化ホウ素シートには大きなポテンシャルがあります。新材料の創出には大変な時間と労力がかかりますが、社会を変革しうる力があります」と語りました。

なお、本研究成果は、2021年10月27日（英国時間）に材料科学学術誌「J. Mater. Chem. A」に掲載されました。

プレスリリースはこちらから

本論文はオープンアクセスとなっており、こちらから確認できます

【論文情報】
題　名： Crystalline boron monosulfide nanosheets with tunable bandgaps.
（バンドギャップが可変な硫化ホウ素ナノシート結晶）

著者名： H. Kusaka（日下陽貴）^†, R. Ishibiki（石引涼太）^†, M. Toyoda（豊田雅之）^†, T. Fujita（藤田武志）, T. Tokunaga（徳永智春）, A. Yamamoto（山本明保）, M. Miyakawa（宮川仁）, K. Matsushita（松下恭介）, K. Miyazaki（宮﨑啓佑）, L. Li（Linghui Li）, S. L. Shinde（Satish Laxman Shinde）, M. S. L. Lima（Mariana S. L. Lima）, T. Sakurai（櫻井岳暁）, E. Nishibori（西堀英治）, T. Masuda（増田卓也）, K. Horiba（堀場弘司）, K. Watanabe（渡邊賢司）, S. Saito（斎藤晋）, M. Miyauchi（宮内雅浩）, T. Taniguchi（谷口尚）, H. Hosono（細野秀雄） and T. Kondo（近藤剛弘）^†These authors contribute equally

掲載誌： J. Mater. Chem. A

掲載日： 2021年10月27日

DOI： 10.1039/D1TA03307G

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