تمكن باحثون من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا من إنتاج أغشية رقيقة ذريًا من ثاني كبريتيد الموليبدينوم تصل مساحتها إلى عدة عشرات من السنتيمترات المربعة. وقد ثبت أنه يمكن تعديل بنية المادة عن طريق تغيير درجة حرارة التوليف. تم الحصول على الأفلام، التي تعتبر مهمة للإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية، عند درجة حرارة 900-1000 درجة مئوية. ونشرت النتائج في مجلة ACS Applied Nano Materials.

تجتذب المواد ثنائية الأبعاد اهتمامًا كبيرًا نظرًا لخصائصها الفريدة الناجمة عن بنيتها وقيود ميكانيكا الكم. تشتمل عائلة المواد ثنائية الأبعاد على المعادن، وأشباه المعادن، وأشباه الموصلات، والعوازل. الجرافين، والذي ربما يكون المادة ثنائية الأبعاد الأكثر شهرة، هو طبقة أحادية من ذرات الكربون. تتمتع بأعلى قدرة على الحركة لحامل الشحنة المسجلة حتى الآن. ومع ذلك، لا يحتوي الجرافين على فجوة نطاقية في ظل الظروف القياسية، مما يحد من تطبيقاته.

على عكس الجرافين، فإن العرض الأمثل لفجوة النطاق في ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) يجعله مناسبًا للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية. تحتوي كل طبقة MoS2 على بنية شطيرة، مع طبقة من الموليبدينوم محصورة بين طبقتين من ذرات الكبريت. تُظهِر هياكل فان دير فالس ثنائية الأبعاد، التي تجمع بين مواد مختلفة ثنائية الأبعاد، وعدًا كبيرًا أيضًا. في الواقع، يتم استخدامها بالفعل على نطاق واسع في التطبيقات المتعلقة بالطاقة والحفز الكيميائي. يُظهر تخليق الرقاقة (مساحة كبيرة) لثاني كبريتيد الموليبدينوم ثنائي الأبعاد إمكانية تحقيق تقدم كبير في إنشاء أجهزة إلكترونية شفافة ومرنة، والاتصالات البصرية لأجهزة الكمبيوتر من الجيل التالي، وكذلك في مجالات أخرى من الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية.

"الطريقة التي توصلنا إليها لتجميع MoS2 تتضمن خطوتين. أولاً، يتم إنتاج طبقة من MoO3 باستخدام تقنية ترسيب الطبقة الذرية، والتي توفر سماكة دقيقة للطبقة الذرية وتسمح بالطلاء المطابق لجميع الأسطح. ويمكن الحصول بسهولة على MoO3 على رقائق يصل قطرها إلى 300 ملم. بعد ذلك، يتم معالجة الفيلم بالحرارة في بخار الكبريت. ونتيجة لذلك، يتم استبدال ذرات الأكسجين في MoO3 بذرات الكبريت، ويتم تشكيل MoS2. "لقد تعلمنا بالفعل إنتاج أفلام MoS2 رقيقة ذريًا على مساحة تصل إلى عدة عشرات من السنتيمترات المربعة" ، يوضح أندريه ماركيف ، رئيس مختبر ترسيب الطبقة الذرية التابع لـ MIPT.

وقرر الباحثون أن بنية الفيلم تعتمد على درجة حرارة الكبريت. تحتوي الأفلام المكبرتة عند 500 درجة مئوية على حبيبات بلورية، يبلغ طول كل منها بضعة نانومترات، مدمجة في مصفوفة غير متبلورة. عند 700 درجة مئوية، يبلغ عرض هذه البلورات حوالي 10-20 نانومتر وتكون طبقات S-Mo-S متعامدة مع السطح. ونتيجة لذلك، فإن السطح لديه العديد من الروابط المتدلية. يُظهر هذا الهيكل نشاطًا تحفيزيًا عاليًا في العديد من التفاعلات، بما في ذلك تفاعل تطور الهيدروجين. لكي يتم استخدام MoS2 في الإلكترونيات، يجب أن تكون طبقات S-Mo-S موازية للسطح، وهو ما يتم تحقيقه عند درجات حرارة الكبريت التي تتراوح بين 900-1000 درجة مئوية. تكون الأغشية الناتجة رفيعة بقدر 1.3 نانومتر، أو طبقتين جزيئيتين، ولها مساحة كبيرة تجاريًا (أي كبيرة بما يكفي).

تم إدخال أفلام MoS2 التي تم تصنيعها في ظل الظروف المثالية في هياكل النموذج الأولي لأشباه الموصلات المعدنية العازلة للكهرباء، والتي تعتمد على أكسيد الهافنيوم الكهروضوئي ونموذج ترانزستور التأثير الميداني. كان فيلم MoS2 الموجود في هذه الهياكل بمثابة قناة لأشباه الموصلات. تم التحكم في موصليتها عن طريق تبديل اتجاه الاستقطاب للطبقة الكهروضوئية. عند الاتصال بـ MoS2، وجد أن مادة La:(HfO2-ZrO2)، التي تم تطويرها مسبقًا في مختبر MIPT، لديها استقطاب متبقي يبلغ حوالي 18 ميكروكولوم لكل سنتيمتر مربع. ومع قدرة تحمل تحويل تصل إلى 5 ملايين دورة، فقد تجاوز الرقم القياسي العالمي السابق البالغ 100000 دورة لقنوات السيليكون.