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Synthesis and characterisation of a new graphitic C-S compound obtained by high pressure decomposition of CS$$_2$$

CS$$_2$$の高圧分解により得られた新しいグラファイトC-S化合物の合成と特性評価

Klotz, S.*; Baptiste, B.*; 服部 高典 ; Feng, S. M.*; Jin, Ch.*; B$'e$neut, K.*; Guigner, J. M.*; Est$`e$ve, I.*

Klotz, S.*; Baptiste, B.*; Hattori, Takanori; Feng, S. M.*; Jin, Ch.*; B$'e$neut, K.*; Guigner, J. M.*; Est$`e$ve, I.*

二硫化炭素(CS$$_2$$)は、その最も近い類似体であるCO$$_2$$とともに、二重共有結合からなる最も単純な分子系の一つである。高圧下では、この分子構造は分解され、拡張された結晶性またはポリマー性の固体を形成すると考えられる。ここでは、大容量高圧技術を用いて300Kで約10GPa (100kbar)まで圧縮することにより、瞬間的な反応で純粋な硫黄とC$$_2$$Sに近い化学組成を持つ化合物の混合体が得られ、常圧まで回収できることを示している。中性子回折,X線回折,ラマン測定の結果、この物質は硫黄がナノメートルオーダーのsp$$^2$$グラファイト層に結合していることがわかった。電気抵抗の温度依存性からこの化合物は45meVのギャップを持つ半導体であることが明らかになった。200$$^{circ}$$C以上の温度でアニールすることで、硫黄含有量をC$$_{10}$$Sまで減らすことができた。この物質の構造的・電子的特性は、過去に行われたCS$$_2$$の高圧実験で報告された「ブリッジマンブラック」とは根本的に異なる。

Carbon disulphide (CS$$_2$$) is one of the simplest molecular systems made of double covalent bonds. Under high pressure, the molecular structure is expected to break up to form extended crystalline or polymeric solids. Here we show that by compression at 300 K to approximately $$sim$$10 GPa using large-volume high pressure techniques, an instantaneous reaction leads to a mixture of pure sulphur and a well-defined compound with stoichiometry close to C$$_2$$S which can be recovered to ambient pressure. We present neutron and X-ray diffraction as well as Raman data which show that this material consists of sulphur bonded to sp$$^2$$ graphite layers of nanometric dimensions. The compound is a semiconductor with a gap of 45 meV, as revealed by temperature dependent resistivity measurements, and annealing at temperatures above 200$$^{circ}$$C allow to reduce its sulphur content up to C$$_{10}$$S. Its structural and electronic properties are fundamentally different to "Bridgman black" reported from previous high pressure experiments on CS$$_2$$.

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