次世代半導体材料SnSの大面積単層結晶の合成技術を確立~ 光電融合デバイスや高速情報処理技術への応用が期待~

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2025-05-03 東北大学

東北大学大学院工学研究科の研究チームは、次世代半導体材料として注目される一硫化スズ(SnS)の大面積単層結晶の合成技術を確立しました。高純度のスズ(Sn)と硫黄(S)を用いた化学気相成長(CVD)法により、高品質なSnS単結晶の成長に成功し、さらにその結晶を単層厚さの薄膜へと変換する手法を開発しました。この薄膜化プロセスのメカニズムも解明されています。SnSは地球上に豊富に存在し、毒性もない材料であり、電子スピン波を基盤とする次世代情報処理技術や光電融合デバイスへの応用が期待されます。本研究成果は科学誌『Nano Letters』に掲載されました。

次世代半導体材料SnSの大面積単層結晶の合成技術を確立~ 光電融合デバイスや高速情報処理技術への応用が期待~
図1. 本研究成果の概念図。CVD成長したSnSを熱昇華によって単層まで薄くしている。

<関連情報>

簡単な物質からの大面積単分子硫化スズの選択的合成 Selective Synthesis of Large-Area Monolayer Tin Sulfide from Simple Substances

Kazuki Koyama,Jun Ishihara,Nozomi Matsui,Atsuhiko Mori,Sicheng Li,Jinfeng Yang,Shiro Entani,Takeshi Odagawa,Makito Aoyama,Chaoliang Zhang,Ye Fan,Ibuki Kitakami,Sota Yamamoto,Toshihiro Omori,Yasuo Cho,Stephan Hofmann,and Makoto Kohda
Nano Letters  Publishe:d May 20, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01639

Abstract

Both tin monosulfide (SnS) and tin disulfide (SnS2) are thermodynamically stable layered materials with the potential for spin-valleytronic devices and photodetectors. Notably, SnS, owing to its low symmetry, exhibits interesting properties such as ferroelectricity, shift-current, and a persistent spin helix state in the monolayer limit. Unlike SnS2, however, creating large-area atomic-thickness crystals of SnS is challenging, owing to the enhanced interlayer interactions caused by lone pair electrons. Here, we demonstrate that p-type SnS can be selectively grown by varying the sulfur vapor concentration relative to tin using high-purity elemental precursors in a chemical vapor deposition setup. Based on that, we further show that monolayer SnS crystals, up to several tens of micrometers in lateral scale, can be obtained by controlled sublimation of bulk SnS crystals. These findings pave the way for device applications based on high-quality tin sulfide.

0501セラミックス及び無機化学製品
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