東京大ら、SnS単層を初合成し強誘電特性を実証：面内分極により強誘電性を維持

半導体メモリやナノ発電の材料として期待

　東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻の東垂水直樹博士研究員と長汐晃輔准教授らの研究グループは2020年5月、関西学院大学の若林克法教授や国立交通大學のWen-Hao Chang教授らと共同で、硫化スズ（SnS）単層の合成に初めて成功し、その強誘電特性を実証したと発表した。半導体メモリやナノ発電などへの応用が期待される。

　二次元層状物質であるSnSは、面内分極を示す強誘電特性が理論的に予測されている。しかも、膜厚を極めて薄くしても分極が保たれることが予想されるなど、半導体メモリなどへの応用が期待されている。ところが、単層の成長はこれまで実現できていなかったという。

　研究グループは、成長温度条件などを制御しながら、物理蒸着法によりマイカ基板上に単層SnSを成長させることに成功した。第一原理計算による格子振動のモードと一致していることも確認した。

左図は単層SnSの原子模型と表面形状像。右図は断面の透過型電子顕微鏡像 出典：東京大学他

　原子レベルで多層の表面構造を調べたところ、二次元核生成による成長機構であることが分かった。また、単層において第2高調波発生（SHG）が観測され、非点対称性を有する結晶構造であることも分かった。単層から15層程度の臨界膜厚まで、全ての層数でSHGを観察できたという。

　高角度散乱暗視野走査透過電子顕微鏡での確認も行った。これにより、臨界膜厚下においては、分極の向きがそろった非点対称性を有する準安定な積層構造となっていることが明らかとなった。2端子デバイスの電流‐電圧特性では、分極反転によってショットキー障壁が変化することで生じるヒステリシスを観測し、double wave測定によって強誘電特性を実証した。

多層SnSの断面構造 出典：東京大学他

強誘電特性の実証 出典：東京大学他

　研究グループによれば、二次元層状SnSはバンドギャップを持つ半導体であり、従来の強誘電酸化物とシリコン半導体を組み合わせた強誘電メモリとは異なる構造のメモリを実現できるという。ナノ発電素子などへの応用も期待できるとみている。