二硫化モリブデン

二硫化モリブデン

名前
IUPAC名 二硫化モリブデン
その他の名前 硫化モリブデン(IV)
識別子
CAS番号	1317-33-5 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:30704 はい
ケムスパイダー	14138 はい
ECHA 情報カード	100.013.877
パブケム CID	14823
RTECS番号	QA4697000
ユニ	型番 はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID201318098 DTXSID5042162、DTXSID201318098
InChI InChI=1S/Mo.2S はい キー: CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N はい InChI=1/Mo.2S/rMoS2/c2-1-3 キー: CWQXQMHSOZUFJS-FRBXWHJUAU
笑顔 S=[も]=S
プロパティ
化学式	モS2​
モル質量	160.07 グラムモル−1
外観	黒/鉛灰色
密度	5.06 g/cm3 [ 1]
融点	2,375 °C (4,307 °F; 2,648 K) [4]
水への溶解度	不溶性[1]
溶解度	王水、熱硫酸、硝酸 によって分解し 、希酸には溶けない
バンドギャップ	1.23 eV (間接、3R または 2H バルク) [2] ~1.8 eV (直接、単層) [3]
構造
結晶構造	hP6、P6 3/mmc、第194号（2H） hR9、R3m、No160（3R）[5]
格子定数	a  = 0.3161 nm (2H)、0.3163 nm (3R)、c  = 1.2295 nm (2H)、1.837 nm (3R)
座標幾何学	三角柱状（Mo IV） 錐状（S 2−）
熱化学
標準モル エントロピー ( S ⦵ 298 )	62.63 J/(モル·K)
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 )	−235.10 kJ/モル
ギブスの自由エネルギー (Δ f G ⦵ )	−225.89 kJ/モル
危険
安全データシート（SDS）	外部MSDS
関連化合物
その他の陰イオン	モリブデン(IV)酸化物二セレン 化モリブデン 二テルル化モリブデン
その他の陽イオン	二硫化タングステン
関連潤滑剤	黒鉛
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 いいえ 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

二硫化モリブデン（モリブデンともいう）はモリブデンと硫黄からなる無機化合物で、化学式はMoS ₂である。

この化合物は遷移金属二カルコゲニドに分類される。銀色がかった黒色の固体で、モリブデンの主鉱石である鉱物モリブデン鉱として産出される。 ^[6] MoS ₂は比較的反応性が低い。希酸や酸素の影響を受けない。外観と感触はグラファイトに似ている。摩擦が少なく丈夫なため、乾式潤滑剤として広く使用されている。バルクのMoS ₂はシリコンに似た反磁性の間接バンドギャップ半導体で、バンドギャップは1.23 eVである。^[2]

MoS _{2 は}、結晶質鉱物のモリブデン鉱、またはモリブデン鉱の稀な低温形態であるジョルディサイトとして天然に産出されます。 ^[7]モリブデン鉱石は浮選処理されて比較的純粋なMoS ₂になります。主な汚染物質は炭素です。MoS _{2 は}、ほぼすべてのモリブデン化合物を硫化水素または元素硫黄で熱処理することによっても生成され、五塩化モリブデンからのメタセシス反応によって生成することもできます。^[8]

MoS ₂のすべての形態は層状構造を持ち、モリブデン原子の平面が硫化物イオンの平面に挟まれています。これらの 3 つの層がMoS ₂の単層を形成します。バルクのMoS _{2 は}、弱いファンデルワールス相互作用によって結合された積み重ねられた単層で構成されています。

結晶性MoS _{2 は}、2H- MoS ₂と 3R- MoS ₂の 2 つの相のいずれかで存在し、ここで「H」と「R」はそれぞれ六方対称性と菱面体対称性を示します。これらの構造の両方において、各モリブデン原子は三角柱状の配位球の中心に存在し、6 つの硫化物イオンと共有結合しています。各硫黄原子はピラミッド型の配位を持ち、3 つのモリブデン原子と結合しています。2H 相と 3R 相はどちらも半導体です。^[10]

1T- MoS ₂として知られる第3の準安定結晶相は、2H- MoS ₂にアルカリ金属を挿入することによって発見されました。^[11]この相は三方対称性を持ち、金属的です。1T相は、レニウムなどの電子供与体をドーピングすることで安定化できます。 ^[12]また、マイクロ波照射によって2H相に戻すこともできます。 ^{[13] 2H/1T相転移は、S}空孔の組み込みによって制御できます。^[14]

MoS2からなるナノチューブ状分子やバッキーボール_状分子が知られている。^[15]

2H 相のバルクMoS _{2 は}間接バンドギャップ半導体として知られていますが、単層MoS _{2 は}直接バンドギャップを持っています。MoS 2の層依存の光電子特性は、2 次元MoS ₂ベースのデバイスの多くの研究を促進しました。2D MoS _2は、乾式マイクロメカニカルプロセスまたは溶液処理のいずれかによってバルク結晶を剥離して単層から数層の薄片を生成することによって生成できます。

マイクロメカニカル剥離は、実用的には「スコッチテープ剥離」とも呼ばれ、接着材料を使用してファンデルワールス力を克服することで層状結晶を繰り返し剥離する。結晶片は接着フィルムから基板に転写される。この簡便な方法は、コンスタンチン・ノボセロフとアンドレ・ガイムによってグラファイト結晶からグラフェンを得るために初めて使用された。しかし、 MoS ₂の基板（Si、ガラス、石英のいずれか）への接着力が弱いため、均一な 1-D 層には使用できず、前述の方式はグラフェンにのみ適している。^[16]接着テープとしては通常スコッチテープが使用されるが、残留接着剤による片の汚染を避けることが重要である場合は、PDMSスタンプでもMoS _{2 を}十分に切断できる。 ^[17]

液相剥離法は、溶液中で単層から多層のMoS _2を生成するためにも使用できます。いくつかの方法としては、層を剥離するためのリチウムインターカレーション^[18]や、高表面張力溶媒中での超音波処理などがあります。 ^{[19] [20]}

MoS _{2 は}、その層状構造と低い摩擦係数のため、潤滑材として優れています（下記参照）。材料にせん断応力が加わると、層間滑りによってエネルギーが消散します。さまざまな雰囲気でのMoS ₂^{の摩擦係数とせん断強度を特徴付ける広範な研究が行われてきました。 [21]} MoS ₂のせん断強度は、摩擦係数が増加するにつれて増加します。この特性は、超潤滑性と呼ばれます。常温では、MoS ₂の摩擦係数は0.150 と決定され、対応するせん断強度は 56.0 MPa（メガパスカル）と推定されました。^[21]せん断強度を直接測定する方法では、その値は 25.3 MPa に近いことが示されています。^[22]

潤滑用途におけるMoS ₂の耐摩耗性は、 MoS ₂にCrをドープすることで向上します。CrドープMoS ₂ナノピラーのマイクロインデンテーション実験では、降伏強度が純粋なMoS ₂ (0% Cr)の平均 821 MPa から50% Cr で 1017 MPa に増加しました。^[23]降伏強度の増加は、材料の破壊モードの変化を伴います。純粋なMoS ₂ナノピラーは塑性曲げメカニズムによって破壊しますが、材料にドーパントが増加すると脆性破壊モードが明らかになります。^[23]

広く使用されているマイクロメカニカル剥離法は、数層から多層の薄片における剥離のメカニズムを理解するためにMoS ₂で慎重に研究されてきました。劈開の正確なメカニズムは層に依存することがわかりました。5 層より薄い薄片は均一な曲げと波打ちを起こしますが、約 10 層の厚さの薄片は層間の滑りによって剥離します。20 層を超える薄片は、マイクロメカニカル劈開中にキンク機構を示しました。これらの薄片の劈開は、ファンデルワールス結合の性質により可逆的であることも判明しました。^[24]

近年、MoS _2はフレキシブルエレクトロニクス用途に利用されており、この材料の弾性特性に関する調査が進んでいます。AFMカンチレバーチップを使用したナノスケールの曲げ試験が、穴あき基板上に堆積したマイクロメカニカル剥離MoS ₂^{薄片に対して実施されました。 [17] [25]}単層薄片の降伏強度は270 GPaでしたが、^[25]厚い薄片はより硬く、降伏強度は330 GPaでした。^{[17]分子動力学シミュレーションでは、} MoS ₂の面内降伏強度は229 GPaであることが判明し、これは誤差の範囲内で実験結果と一致しています。^[26]

ベルトラッツィと同僚らは、懸濁した単層薄片の破壊モードも特徴付けた。破壊時のひずみは6～11%の範囲であった。単層MoS ₂の平均降伏強度は23 GPaで、欠陥のないMoS ₂の理論的な破壊強度に近い。^[25]

MoS2_のバンド構造は歪みに敏感である。^{[27] [28] [29]}

二硫化モリブデンは空気中では安定しており、攻撃的な試薬によってのみ攻撃されます。加熱すると酸素と反応して三酸化モリブデンを形成します。

2 MoS ₂ + 7 O ₂ → 2 MoO ₃ + 4 SO ₂

塩素は高温で二硫化モリブデンを攻撃して五塩化モリブデンを形成します。

2 MoS ₂ + 7 Cl ₂ → 2 MoCl ₅ + 2 S ₂ Cl ₂

二硫化モリブデンは層間化合物の形成のホストである。この挙動は、電池の正極材料としての使用に関連している。^{[30] [31]一例として、リチウム化材料}Li _x MoS ₂がある。^[32]ブチルリチウムの場合、生成物はLiMoS ₂である。^[6]

硫化物原子シート間の弱いファンデルワールス相互作用のため、 MoS _{2 は}摩擦係数が低い。1 ～100 μm の粒子サイズのMoS _{2 は}一般的な乾式潤滑剤である。^[34]酸化環境において 350 °C までの高い潤滑性と安定性を与える代替品はほとんど存在しない。ピンオンディスク試験機を使用して低荷重 (0.1～2 N) でMoS ₂の滑り摩擦試験を行ったところ、摩擦係数の値は 0.1 未満であった。^{[35] [36]}

MoS _{2 は}、低摩擦が求められる混合物や複合材料の成分としてよく使用されます。例えば、粘着性を高めるためにグラファイトに添加されます。^[33]さまざまなオイルやグリースが使用されています。これらは、オイルがほぼ完全に失われた場合でも潤滑性を維持するため、航空機エンジンなどの重要な用途で使用されています。プラスチックに添加すると、MoS _{2 は}強度が向上し、摩擦が低減した複合材料を形成します。MoS ₂を充填できるポリマーには、ナイロン（商品名Nylatron）、テフロン、ベスペルなどがあります。高温用途の自己潤滑性複合コーティングは、化学蒸着法を使用した二硫化モリブデンと窒化チタンで構成されています。

MoS2ベースの潤滑剤の用途例としては、2ストロークエンジン（オートバイのエンジンなど）、自転車のコースターブレーキ、自動車のCVジョイントやユニバーサルジョイント、スキーワックス^[37 ] 、弾丸^{[38]などが挙げ}_られます。

潤滑特性を示す他の層状無機材料（総称して固体潤滑剤（または乾式潤滑剤）と呼ばれる）には、揮発性添加剤を必要とするグラファイトや六方晶窒化ホウ素が含まれる。^[39]

MoS ₂は、石油化学における脱硫、例えば水素化脱硫の共触媒として利用されている。MoS ₂触媒の有効性は、少量のコバルトまたはニッケルをドーピングすることで高められる。これらの硫化物の密接な混合物は、アルミナ上に担持される。このような触媒は、モリブデン酸塩/コバルトまたはニッケル含浸アルミナをHで処理することによってその場で生成される。
₂Sまたは同等の試薬。触媒作用は結晶子の規則的なシート状領域ではなく、これらの面の端で起こる。^[40]

MoS _2は有機合成の水素化 触媒として使用されています。^[41] MoS ₂は、他の多くの代替品と同様に10族金属ではなく一般的な遷移金属から誘導されるため、触媒の価格や硫黄中毒に対する耐性が主な懸念事項である場合に選択されます。MoS _2は、ニトロ化合物をアミンに水素化するのに効果的であり、還元アミノ化によって第二級アミンを生成するために使用できます。^{[42]この触媒は、有機}硫黄化合物、アルデヒド、ケトン、フェノール、カルボン酸をそれぞれのアルカンに水素化分解することもできます。^[41]ただし、この触媒の活性はかなり低く、多くの場合、95気圧を超える水素圧と185℃を超える温度が必要です。

MoS2_は凝縮物質物理学の研究において重要な役割を果たしている。^[43]

MoS2および_関連モリブデン硫化物は、水の電気分解を含む水素発生のための効率的な触媒である。^{[44] [45]そのため、}燃料電池で使用するための水素を製造するのに有用である可能性がある。^[46]

原子Feドープ表面および界面（MoS ₂ /Fe- N -C）を有するMoS ₂ @Fe- N -Cコア/シェル^{[47]ナノスフィアは、Fe-N} _{4ドーパントによるエネルギー障壁の低減と}MoS ₂ /Fe- N -C界面のユニークな性質により、酸素還元および発生反応（ORRおよびOER）の電気触媒として二機能的に使用できます。

グラフェンと同様に、 MoS ₂や他の遷移金属ジカルコゲニドの層状構造は、バルクのものとは異なる電子的・光学的特性を示す^{[48] 。 [49]}バルクのMoS ₂は1.2 eVの間接バンドギャップを持ち、^{[50] [51]}、MoS ₂単層は1.8 eVの直接電子バンドギャップを持ち、^[52]スイッチングトランジスタ^[53]や光検出器をサポートする。^{[54] [49] [55]}

MoS ₂ナノフレークは、銀電極の間に挟まれたMoO _x / MoS ₂ヘテロ構造を設計することにより、層状のメモリスタおよびメモリキャパシタンスデバイスの溶液プロセス製造に使用できます。 ^[56] MoS ₂ベースのメモリスタは機械的に柔軟で、光学的に透明であり、低コストで製造できます。

グラフェン電界効果トランジスタ（FET）バイオセンサーの感度は、基本的にグラフェンのゼロバンドギャップによって制限されており、その結果、漏れが増加し、感度が低下します。デジタルエレクトロニクスでは、トランジスタが集積回路全体の電流の流れを制御し、増幅とスイッチングを可能にします。バイオセンシングでは、物理的なゲートが削除され、埋め込まれた受容体分子とそれらがさらされる帯電した標的生体分子との結合によって電流が調整されます。^[57]

MoS2_はフレキシブル回路の構成要素として研究されてきた。^{[58] [59]}

2017年には、 2次元MoS2_を使用して115トランジスタ、1ビットマイクロプロセッサの実装が製造されました。^[60]

MoS2は_2D 2端子メモリスタと3端子メモリトランジスタの作成に使用されています。^[61]

奇数層 MoS2 は、空間反転対称性がないため、バレートロニクス用の有望な材料です。CBMと VBM はどちらも第 1 ブリルアンゾーンの角にエネルギーが縮退した 2 つのバレーを持ち、結晶運動量の異なる離散値で 0 と 1 の情報を保存する絶好の機会を提供します。ベリー曲率は空間反転 (P) では偶数、時間反転 (T) では奇数であるため、P 対称性と T 対称性の両方が存在するとバレーホール効果は存続できません。特定のバレーでバレーホール効果を励起するために、円偏光を使用して、原子的に薄い遷移金属ジカルコゲニドの T 対称性を破りました。^[62]単層MoS ₂では、T 対称性とミラー対称性により、スピン軌道結合によって分割されたサブバンドのスピンとバレーのインデックスがロックされ、どちらも T で反転します。スピン保存により、バレー間の散乱が抑制されます。そのため、単層MoS2は、外在的対称性の破れなしに内在的バレーホール効果を実現するための理想的なプラットフォームであると考えられてきました。^[63]

MoS _2は機械的強度、電気伝導性も有し、発光もできるため、光検出器などの用途が期待されています。^[64] MoS _2は光電気化学（例えば光触媒水素製造）用途やマイクロエレクトロニクス用途のコンポーネントとして研究されてきました。^[53]

電界下ではMoS2単分子層は9.4K以下の温度で超伝導を示すことが分かっている。_[ ^65]

• 二セレン化モリブデン

• ウッド、チャーリー ( 2022-08-16 )。「物理学者デュオが2次元に魔法を発見」。Quanta Magazine。2022-08-19閲覧。

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