Investigadors de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou han aconseguit fer créixer pel·lícules atòmicament primes de disulfur de molibdè que abasten fins a diverses desenes de centímetres quadrats. Es va demostrar que l'estructura del material es pot modificar variant la temperatura de síntesi. Les pel·lícules, que són importants per a l'electrònica i l'optoelectrònica, es van obtenir a 900-1.000 ° Celsius. Les troballes es van publicar a la revista ACS Applied Nano Materials.

Els materials bidimensionals estan atraient un interès considerable a causa de les seves propietats úniques derivades de la seva estructura i les restriccions de la mecànica quàntica. La família de materials 2-D inclou metalls, semimetalls, semiconductors i aïllants. El grafè, que potser és el material 2-D més famós, és una monocapa d'àtoms de carboni. Té la mobilitat de transportista més alta registrada fins ara. No obstant això, el grafè no té un interval de banda en condicions estàndard, i això limita les seves aplicacions.

A diferència del grafè, l'amplada òptima de la banda buida en el disulfur de molibdè (MoS2) el fa adequat per al seu ús en dispositius electrònics. Cada capa de MoS2 té una estructura sandvitx, amb una capa de molibdè comprimida entre dues capes d'àtoms de sofre. Les heteroestructures bidimensionals de van der Waals, que combinen diferents materials en 2-D, també mostren una gran promesa. De fet, ja s'utilitzen àmpliament en aplicacions i catàlisi relacionades amb l'energia. La síntesi de disulfur de molibdè 2-D a escala de hòsties (à gran àrea) mostra el potencial d'avenços innovadors en la creació de dispositius electrònics transparents i flexibles, comunicació òptica per a ordinadors de nova generació, així com en altres camps de l'electrònica i l'optoelectrònica.

"El mètode que hem creat per sintetitzar MoS2 implica dos passos. En primer lloc, es cultiva una pel·lícula de MoO3 mitjançant la tècnica de deposició de la capa atòmica, que ofereix un gruix de capa atòmica precís i permet un recobriment conforme de totes les superfícies. I el MoO3 es pot obtenir fàcilment en hòsties de fins a 300 mil·límetres de diàmetre. A continuació, la pel·lícula es tracta tèrmicament amb vapor de sofre. Com a resultat, els àtoms d'oxigen de MoO3 es substitueixen per àtoms de sofre i es forma MoS2. Ja hem après a fer créixer pel·lícules de MoS2 atòmicament primes en una àrea de fins a diverses desenes de centímetres quadrats", explica Andrey Markeev, cap del Laboratori de deposició de capa atòmica del MIPT.

Els investigadors van determinar que l'estructura de la pel·lícula depèn de la temperatura de sulfuració. Les pel·lícules sulfurades a 500°С contenen grans cristal·lins, d'uns pocs nanòmetres cadascun, incrustats en una matriu amorfa. A 700 ° С, aquests cristal·lits tenen uns 10-20 nm de diàmetre i les capes S-Mo-S estan orientades perpendicularment a la superfície. Com a resultat, la superfície té nombrosos enllaços penjants. Aquesta estructura demostra una alta activitat catalítica en moltes reaccions, inclosa la reacció d'evolució d'hidrogen. Perquè MoS2 s'utilitzi en electrònica, les capes S-Mo-S han de ser paral·leles a la superfície, cosa que s'aconsegueix a temperatures de sulfuració de 900-1.000 °С. Les pel·lícules resultants són tan fines com 1,3 nm, o dues capes moleculars, i tenen una àrea comercialment significativa (és a dir, prou gran).

Les pel·lícules de MoS2 sintetitzades en condicions òptimes es van introduir en estructures prototipus de metall-dielèctric-semiconductor, que es basen en òxid d'hafni ferroelèctric i modelen un transistor d'efecte de camp. La pel·lícula MoS2 d'aquestes estructures va servir com a canal semiconductor. La seva conductivitat es va controlar canviant la direcció de polarització de la capa ferroelèctrica. En contacte amb MoS2, el material La:(HfO2-ZrO2), que es va desenvolupar anteriorment al laboratori MIPT, es va trobar que tenia una polarització residual d'aproximadament 18 microcoulombs per centímetre quadrat. Amb una resistència de commutació de 5 milions de cicles, va superar el rècord mundial anterior de 100.000 cicles per als canals de silici.