Istraživači sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju uspjeli su uzgojiti atomski tanke filmove molibden disulfida veličine do nekoliko desetina kvadratnih centimetara. Pokazano je da se struktura materijala može modificirati mijenjanjem temperature sinteze. Filmovi, koji su važni za elektroniku i optoelektroniku, dobijeni su na 900-1.000° Celzijusa. Nalazi su objavljeni u časopisu ACS Applied Nano Materials.

Dvodimenzionalni materijali privlače veliko interesovanje zbog svojih jedinstvenih svojstava koja proizlaze iz njihove strukture i kvantnih mehaničkih ograničenja. Porodica 2-D materijala uključuje metale, polumetale, poluvodiče i izolatore. Grafen, koji je možda najpoznatiji 2-D materijal, je monosloj atoma ugljika. Ima najveću mobilnost nosioca punjenja zabilježenu do sada. Međutim, grafen nema razmak u pojasu u standardnim uvjetima, a to ograničava njegovu primjenu.

Za razliku od grafena, optimalna širina pojasnog razmaka u molibden disulfidu (MoS2) čini ga pogodnim za upotrebu u elektronskim uređajima. Svaki sloj MoS2 ima sendvič strukturu, sa slojem molibdena stisnutog između dva sloja atoma sumpora. Dvodimenzionalne van der Waalsove heterostrukture, koje kombinuju različite 2-D materijale, takođe obećavaju. U stvari, oni se već široko koriste u energetskim aplikacijama i katalizi. Sinteza 2-D molibden disulfida na vaferskoj skali (velike površine) pokazuje potencijal za napredak u stvaranju transparentnih i fleksibilnih elektronskih uređaja, optičkoj komunikaciji za kompjutere sljedeće generacije, kao iu drugim poljima elektronike i optoelektronike.

„Metoda koju smo smislili za sintezu MoS2 uključuje dva koraka. Prvo, film MoO3 se uzgaja tehnikom nanošenja atomskog sloja, koja nudi preciznu debljinu atomskog sloja i omogućava konformno premazivanje svih površina. A MoO3 se lako može dobiti na pločicama prečnika do 300 milimetara. Zatim se film termički obrađuje u sumpornoj pari. Kao rezultat toga, atomi kisika u MoO3 zamjenjuju se atomima sumpora i nastaje MoS2. Već smo naučili da uzgajamo atomski tanke MoS2 filmove na površini do nekoliko desetina kvadratnih centimetara,” objašnjava Andrey Markeev, šef Laboratorije za odlaganje atomskih slojeva pri MIPT-u.

Istraživači su utvrdili da struktura filma ovisi o temperaturi sumporanja. Filmovi sumporisani na 500°C sadrže kristalna zrna, po nekoliko nanometara, ugrađena u amorfnu matricu. Na 700°C, ovi kristaliti su oko 10-20 nm u prečniku, a S-Mo-S slojevi su orijentisani okomito na površinu. Kao rezultat, površina ima brojne viseće veze. Takva struktura pokazuje visoku katalitičku aktivnost u mnogim reakcijama, uključujući reakciju evolucije vodika. Da bi se MoS2 koristio u elektronici, slojevi S-Mo-S moraju biti paralelni s površinom, što se postiže pri temperaturama sumporovanja od 900-1.000°C. Rezultirajući filmovi su tanki od 1,3 nm, ili dva molekularna sloja, i imaju komercijalno značajnu (tj. dovoljno veliku) površinu.

MoS2 filmovi sintetizirani pod optimalnim uvjetima uvedeni su u prototipne strukture metal-dielektrik-poluvodič, koje se temelje na feroelektričnom hafnij oksidu i modeliraju tranzistor sa efektom polja. MoS2 film u ovim strukturama služio je kao poluprovodnički kanal. Njegova provodljivost je kontrolirana mijenjanjem smjera polarizacije feroelektričnog sloja. Kada je u kontaktu sa MoS2, La:(HfO2-ZrO2) materijal, koji je ranije razvijen u laboratoriji MIPT, otkriveno je da ima zaostalu polarizaciju od približno 18 mikrokulona po kvadratnom centimetru. Sa izdržljivošću prebacivanja od 5 miliona ciklusa, nadmašio je prethodni svjetski rekord od 100.000 ciklusa za silikonske kanale.