サマリウムモノカルコゲニド
サマリウム原子1個とカルコゲン原子1個を含む化合物

サマリウムモノカルコゲニドは、SmXという組成を持つ化合物です。Smはランタノイド元素であるサマリウム、Xは硫黄、セレン、テルルのいずれかのカルコゲン元素を表し、SmS、SmSe、またはSmTeという化合物が生成されます。これらの化合物では、サマリウムは正式には酸化数+2を示しますが、通常は+3の状態をとり、化学式Sm 2 X 3のカルコゲニドとなります。

合成

サマリウムモノカルコゲニドの単結晶または多結晶は、高温で金属を硫黄、セレン、またはテルルの蒸気と反応させることによって得られます。[1]薄膜は、マグネトロンスパッタリング[2]または電子ビーム物理蒸着（適切なガス雰囲気（例：SmSの場合は二硫化水素）中でサマリウム金属ターゲットに電子を照射する）によって得られます。[3]

プロパティ

式 格子定数
nm [1] 		抵抗率
オーム·cm 		バンドギャップ
eV
SMS 0.597 0.001～0.01 0.15
スムセレン 0.620 約3000 0.45
スムテ 0.6594 約1000 0.65

サマリウムモノカルコゲニドは、岩塩型の立方結晶構造を持つ黒色の半導体固体です。中程度の静水圧を加えると金属に変化します。この転移はSmSeとSmTeでは連続的で、それぞれ約45 kbarと60 kbarで起こりますが、SmSでは突然で、必要な圧力はわずか6.5 kbarです。同様の効果は、別のランタノイドであるツリウムのモノカルコゲニドでも観察されています。[4]この結果、SmSを引っかいたり、機械研磨したりすると、黒から黄金色へと劇的な色の変化が見られます。[3] [5]この転移によって結晶構造は変化しませんが、結晶の体積が急激に（約15%）減少します。[6]ヒステリシスが観察され、圧力が解放されると、SmSは約0.5 kbarというはるかに低い圧力で半導体状態に戻ります。[1]

サマリウムモノカルコゲニドは、圧力の上昇に伴い、色や電気伝導性だけでなく、他の特性も変化します。これらの金属的挙動は、バンドギャップの減少に起因しており、SmS、SmSe、SmTeでは、圧力ゼロ時にそれぞれ0.15、0.45、0.65 eVとなります。[1] [4] 遷移圧力（SmSでは6.5 kbar）においても、バンドギャップは有限であり、低い抵抗率は、狭いバンドギャップを横切る熱活性化キャリア生成に起因します。このバンドギャップは約20 kbarで崩壊し、SmSは真の金属となります。この圧力において、この物質は常磁性から磁性状態へと変化します。[6]

サマリウムモノカルコゲニドにおける半導体-金属転移には、薄膜などの内部応力や圧力の印加が必要であり、この応力が解放されると逆の変化が起こる。このような応力解放は、約200℃への加熱[3]やパルス状の高強度レーザービームの照射など、様々な手段によって引き起こされる。[2] [7]

潜在的な用途

サマリウムモノカルコゲニドの電気抵抗の変化は、圧力センサーや、外部圧力によって低抵抗状態と高抵抗状態を切り替えるメモリデバイスに利用することができ、[8]、そのようなデバイスは商業的に開発されている。[9]また、サマリウムモノサルファイドは約150℃まで適度に加熱すると電圧を発生するため、熱電変換​​装置に応用することができる。[10]

参考文献

  1. ^ abcd Jayaraman, A.; Narayanamurti, V.; Bucher, E.; Maines, R. (1970). 「圧力下におけるサマリウムモノカルコゲニドの連続および不連続半導体-金属転移」. Physical Review Letters . 25 (20): 1430. Bibcode :1970PhRvL..25.1430J. doi :10.1103/PhysRevLett.25.1430.
  2. ^ ab 北川 亮; 武部 秀; 森永 健 (2003). 「フェムト秒レーザーによる金属SmS薄膜の光誘起相転移」.応用物理学論文集. 82 (21): 3641. Bibcode :2003ApPhL..82.3641K. doi :10.1063/1.1577824.
  3. ^ abc Rogers, E; Smet, PF; Dorenbos, P; Poelman, D; Van Der Kolk, E (2010). 「サマリウム一硫化物（SmS）薄膜の熱誘起金属–半導体相転移」（無料ダウンロード） . Journal of Physics: Condensed Matter . 22 (1) 015005. Bibcode :2010JPCM...22a5005R. doi :10.1088/0953-8984/22/1/015005. PMID  21386220. S2CID  17888041.
  4. ^ ab KHJ Buschow 磁性材料と超伝導材料の簡潔な百科事典、エルゼビア、2005年ISBN 0-08-044586-1318ページ
  5. ^ エムズリー、ジョン (2001). 「サマリウム」. 自然の構成要素：元素のAZガイド. オックスフォード、イングランド、イギリス: オックスフォード大学出版局. p. 374. ISBN 978-0-19-850340-8。
  6. ^ エリック・ボーレペール編『磁性：シンクロトロン放射アプローチ』シュプリンガー、2006年ISBN 3-540-33241-3393ページ
  7. ^ De Tomasi, F (2002). 「SmS膜の抵抗に対するレーザー照射の影響」. Thin Solid Films . 413 ( 1– 2): 171– 176. Bibcode :2002TSF...413..171D. doi :10.1016/S0040-6090(02)00235-3.
  8. ^ Elmegreen, Bruce G. et al. ヒステリシス抵抗を有するピエゾ駆動型不揮発性メモリセル 米国特許出願 12/234100, 2008年9月19日
  9. ^ SmS Tenzo 2012年3月15日アーカイブ - Wayback Machine
  10. ^ Kaminskii, VV; Solov'ev, SM; Golubkov, AV (2002). 「均一加熱された半導体一硫化サマリウムにおける起電力発生」. Technical Physics Letters . 28 (3): 229. Bibcode :2002TePhL..28..229K. doi :10.1134/1.1467284. S2CID 122463906. 2012年3月15日時点のオリジナル よりアーカイブ。このトピックに関する他の記事 2012年3月15日アーカイブWayback Machine
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