Изследователи от Московския институт по физика и технологии са успели да отгледат атомно тънки филми от молибденов дисулфид, обхващащи до няколко десетки квадратни сантиметра. Беше демонстрирано, че структурата на материала може да бъде модифицирана чрез промяна на температурата на синтез. Филмите, които са важни за електрониката и оптоелектрониката, са получени при 900-1000° по Целзий. Констатациите са публикувани в списанието ACS Applied Nano Materials.

Двуизмерните материали привличат значителен интерес поради техните уникални свойства, произтичащи от тяхната структура и квантово-механични ограничения. Семейството от 2-D материали включва метали, полуметали, полупроводници и изолатори. Графенът, който е може би най-известният 2-D материал, е монослой от въглеродни атоми. Той има най-високата мобилност на носителите на заряд, регистрирана до момента. Въпреки това графенът няма забранена лента при стандартни условия и това ограничава приложенията му.

За разлика от графена, оптималната ширина на забранената лента в молибденовия дисулфид (MoS2) го прави подходящ за използване в електронни устройства. Всеки слой MoS2 има сандвич структура, със слой от молибден, притиснат между два слоя от серни атоми. Двуизмерните хетероструктури на Ван дер Ваалс, които комбинират различни 2-D материали, също показват голямо обещание. Всъщност те вече се използват широко в приложения, свързани с енергията и катализа. Синтезът на пластини (голяма площ) на 2-D молибденов дисулфид показва потенциала за пробив в създаването на прозрачни и гъвкави електронни устройства, оптична комуникация за компютри от следващо поколение, както и в други области на електрониката и оптоелектрониката.

„Методът, който измислихме, за да синтезираме MoS2, включва две стъпки. Първо, филм от MoO3 се отглежда с помощта на техниката за отлагане на атомен слой, която предлага прецизна дебелина на атомния слой и позволява конформно покритие на всички повърхности. А MoO3 може лесно да се получи върху пластини с диаметър до 300 милиметра. След това филмът се обработва топлинно в серни пари. В резултат на това кислородните атоми в MoO3 се заменят със серни атоми и се образува MoS2. Вече се научихме да отглеждаме атомно тънки MoS2 филми на площ до няколко десетки квадратни сантиметра“, обяснява Андрей Маркеев, ръководител на лабораторията за отлагане на атомни слоеве на MIPT.

Изследователите установиха, че структурата на филма зависи от температурата на сулфуриране. Филмите, сулфурирани при 500°С, съдържат кристални зърна с размери по няколко нанометра, вградени в аморфна матрица. При 700°С тези кристалити са с диаметър около 10-20 nm и S-Mo-S слоевете са ориентирани перпендикулярно на повърхността. В резултат на това повърхността има множество висящи връзки. Такава структура демонстрира висока каталитична активност в много реакции, включително реакцията на отделяне на водород. За да се използва MoS2 в електрониката, слоевете S-Mo-S трябва да са успоредни на повърхността, което се постига при температури на сулфуриране 900-1000°С. Получените филми са тънки като 1,3 nm или два молекулярни слоя и имат комерсиално значима (т.е. достатъчно голяма) площ.

Филмите MoS2, синтезирани при оптимални условия, бяха въведени в прототипни структури метал-диелектрик-полупроводник, които се основават на фероелектричен хафниев оксид и моделират транзистор с полеви ефекти. Филмът MoS2 в тези структури служи като полупроводников канал. Неговата проводимост се контролира чрез превключване на посоката на поляризация на фероелектричния слой. Когато е в контакт с MoS2, материалът La:(HfO2-ZrO2), който е разработен по-рано в лабораторията на MIPT, е установено, че има остатъчна поляризация от приблизително 18 микрокулона на квадратен сантиметър. С издръжливост на превключване от 5 милиона цикъла, той надмина предишния световен рекорд от 100 000 цикъла за силициеви канали.