新たな半導体物質「硫化ホウ素シート」を生成―優れた熱電特性や水素吸蔵特性などの理論予測実証へ：筑波大学ほか
(2021年10月28日発表)
筑波大学、東京工業大学、高知工科大学、東京農工大学、名古屋大学、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の共同研究グループは、10月28日、ホウ素と硫黄から成る二次元状物質「硫化ホウ素シート」の生成に成功したと発表した。優れた特性を持つ新たな半導体物質として今後の展開が期待されるという。
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。超伝導性をはじめ、優れた熱電特性、水素吸蔵特性などを示すことが理論的に予測されてきたが、これまで実際に合成された報告や観測された報告はなかった。
研究グループは今回、菱面体硫化ホウ素という物質を作り、層状のそ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た。
ホウ素と硫黄を1対1の割合で混合し、5.5GPa（ギガパスカル）の高圧状態で1,873K（約1,600℃）に加熱したのち室温まで冷却、菱面体硫化ホウ素を得た。X線回折、電子線アナライザー測定、X線光電子分光分析など各種の分析・測定や理論計算により、合成された試料は究めて高純度で、725Kまでの加熱に対して安定であることが分かった。
また、透過型電子顕微鏡で観察したところ、硫化ホウ素シートが試料内に存在することが判明、粘着性のテープを用いて剥離し、硫化ホウ素シートを得た。
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1.0eV程度変化することが分かった。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。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や光触媒、電池材料、光センサー材料などへの展開が考えられるという。
デバイスへの応用例として、光の波長によって電流の発生をオンオフ制御できる光電気化学的スイッチを作製したところ、菱面体硫化ホウ素では可視光の照射でも電流が流れるのに対し、硫化ホウ素シートでは紫外光を照射した場合のみ電流が流れるという光スイッチング特性が認められた。
硫化ホウ素シートは軽い元素からなり、非常に薄く、電子の有効質量の小さいn型半導体であるため、サイズの微小化が求められる電子デバイスにおいて新しい半導体になる可能性があるとしている。
