詳細な説明　

　近年、電子デバイスの機能性向上に向けた新規材料の開発と、その電子物性の解明が世界各地で精力的に進められています。そのような中で最近発見されたのが、ホウ素(B)と硫黄(S)で構成された菱面体構造を持つ層状材料 r-BS です（図 1）。r-BS は、よく知られている層状遷移金属ダイカルコゲナイド^{注 8)}の、遷移金属の部分を B-B に置き換えたような構造をしており、その層状構造に起因して、劈開によって層を剥がすことで容易に薄くできるため、単層（原子層）化したときの物性にも興味が持たれています。また、半導体の特性を決定づける最も重要なパラメータである禁制帯（バンドギャップ）^{注 9)}を、層数の変化によって容易に制御できると理論予測されており、次世代半導体材料として有望視されています。
さらに触媒材料や水素貯蔵材料として、グラフェン^{注 10)}を超える特性を持つ可能性が指摘されています。r-BS の機能性開拓のためには、エネルギーバンド構造などの基本的な電子構造を実験的に明らかにすることが重要ですが、そのような研究は全く行われていませんでした。その理由は、試料が粉状の微小単結晶（結晶１つの大きさが~20μm 程度の微粒子）であるため、大面積の試料が必要となる従来の電子計測法では全く太刀打ちできなかったためです。この問題が、r-BS の物性解明や将来的なデバイス応用に向けて障害となっていました。

　今回、東北大学大学院理学研究科の菅原克明准教授と材料科学高等研究所（以下、WPI-AIMR）の佐藤宇史教授、筑波大学数理物質系物質工学域の近藤剛弘教授らの研究グループは、東北大学 WPI-AIMR の折茂慎一所長と多元物質科学研究所の組頭広志教授、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の北村未歩助教、量子科学技術研究開発機構の堀場弘司上席研究員、物質・材料研究機構の宮川仁主任研究員と国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（MANA）の谷口尚拠点長、東京工業大学理学院物理学系の豊田雅之助教と斎藤晋教授らと共同で、微小粉状結晶 r-BS を精密に観測しました。これには東北大学と KEK のグループが最近共同で KEK フォトンファクトリーにて開発した、放射光からの紫外線のスポットサイズを 10μm 程度に絞って精密観測できるマイクロ ARPES 装置（図 2）が用いられました。
観測にあたり、まずは過去に全く例がない粉状試料の電子バンド計測を行うためのスキームを実験的に確立しました。具体的には、大気中で r-BS 粉末試料を金(Au)の板上に拡散させ、その Au 基板を超高真空中に導入して表面をポリイミドの粘着テープで剥がしました。これにより、目視では確認できないほど微小な、劈開された r-BS 結晶が Au 基板のごく一部の領域に残ります。次に、マイクロ集光された紫外線を Au 基板に照射して、基板全体をくまなく走査しながら外部光電効果によって放出された光電子を精密に計測（図 3a）することで、清浄試料表面を有する〜20 μm サイズの微小結晶の位置を特定しました（図中赤点）。
さらに、この位置にマイクロ紫外光を固定してピンポイントで精密測定を行うことで、r-BS のエネルギーバンド構造を初めて観測することに成功しました（図 3b）。これにより、r-BS は理論予測に合致した大きなバンドギャップを持ち、p型半導体となるのに加えて、電気の流れ易さに方向依存性が現れる「異方的有効質量」を持つことも明らかになりました。

 

図 3: (a) マイクロ ARPES を用いて得られた r-BS の B1s 軌道（電子構造の一種）内殻準位強度の空間マッピング。赤が強度の強い箇所、青が強度の弱い箇所に対応します。(b) 輝度の最も強い強度の箇所で測定した ARPES 強度。緑色、黄色、茶色、白色が光電子の多い箇所、すなわちエネルギーバンドに対応しており、明確に観測されます。