層状結晶ナノシートで調整可能な電子特性を実現

ホウ素は多用途な非金属元素ですが、過去5年間まで化学者たちは二次元（2D）ホウ素含有材料の有用な特性と応用について理論的にのみ語ってきました。筑波大学研究者たち率いるグループが、理論を現実に変え、層ごとに扱えて電子特性を制御できる初の2Dホウ素モノサルファイド（BS）ナノシートを作製しました。

本来大きな表面積と多様な電子状態を持つ2D材料は、電池や他のデバイスへの応用に適した候補です。さらに、2Dビルディングブロックを新材料へ組み合わせることで、機能性をより強く制御可能になります。先行計算研究ではBSが独自の特性を持ついくつかの安定2D構造を採り得ることが示唆されていました。そのため研究者たちは1:1ホウ素:硫化物のバルク材料を作製し、菱面体（三次元菱形）結晶構造（r-BS）を持つことを確認し、そこから個々のナノ層（2D BS）を剥離しました。これらは元材料の結晶配列を維持していました。

「我々の分析は独自計算の予測を確認しました」と研究グループリーダーの近藤隆弘教授は言います。「すなわち、BSナノシートはバルク材料とは異なるバンドギャップエネルギーを持ち、重要なことに、積層2D BSシート数に基づいてバンドギャップを調整できるのです。」

電流を流す能力は材料のバンドギャップエネルギーに関連するため、電子デバイス応用への鍵となる特性です。研究者たちは単層BSナノシートのバンドギャップエネルギーが比較的大きいが、ナノシート層を1〜2層追加するにつれて連続的に減少し、約5層積層でバルクr-BSレベルに達することを発見しました。

「この特徴とBSナノシートの軽い有効電子質量は、他の既知2Dホウ素含有材料がバンドギャップを持たない中で、高伝導率n型半導体材料として機能し得ることを示唆しています」と近藤教授。「バンドギャップ構造が異なるため、r-BSまたは2D BS電極は異なる波長の光に応答します。r-BSは低エネルギー照射（可視光）で電流伝導と光触媒挙動を示す一方、2D BSの大きいバンドギャップは高エネルギー紫外線でのみ活性化します。」

まさにホウ素は退屈ではありません！これらの光誘起現象は、2Dホウ素モノサルファイド材料が光触媒や電子デバイスに応用可能であり、重要的是ナノシート数を制御することで特性を必要に応じて調整できることを浮き彫りにしました。

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