Vědcům z Moskevského institutu fyziky a technologie se podařilo vypěstovat atomově tenké vrstvy sulfidu molybdeničitého o velikosti až několika desítek centimetrů čtverečních. Bylo prokázáno, že struktura materiálu může být modifikována změnou teploty syntézy. Filmy, které jsou důležité pro elektroniku a optoelektroniku, byly získány při 900-1000° Celsia. Zjištění byla zveřejněna v časopise ACS Applied Nano Materials.

Dvourozměrné materiály přitahují značný zájem kvůli svým jedinečným vlastnostem vyplývajícím z jejich struktury a kvantově mechanických omezení. Rodina 2-D materiálů zahrnuje kovy, polokovy, polovodiče a izolanty. Grafen, což je možná nejznámější 2-D materiál, je monovrstva atomů uhlíku. Má dosud nejvyšší zaznamenanou mobilitu nosičů nábojů. Grafen však za standardních podmínek nemá žádné pásmo, a to omezuje jeho aplikace.

Na rozdíl od grafenu je optimální šířka bandgap v disulfidu molybdenu (MoS2) vhodná pro použití v elektronických zařízeních. Každá vrstva MoS2 má sendvičovou strukturu s vrstvou molybdenu vmáčknutou mezi dvě vrstvy atomů síry. Velmi slibné jsou také dvourozměrné van der Waalsovy heterostruktury, které kombinují různé 2-D materiály. Ve skutečnosti jsou již široce používány v energetických aplikacích a katalýze. Syntéza 2-D disulfidu molybdeničitého na plátkovém měřítku (velkoplošná) ukazuje potenciál pro průlomový pokrok ve vytváření transparentních a flexibilních elektronických zařízení, optické komunikace pro počítače nové generace, stejně jako v dalších oblastech elektroniky a optoelektroniky.

„Metoda, se kterou jsme přišli, abychom syntetizovali MoS2, zahrnuje dva kroky. Nejprve se naroste film MoO3 pomocí techniky nanášení atomové vrstvy, která nabízí přesnou tloušťku atomární vrstvy a umožňuje konformní potahování všech povrchů. A MoO3 lze snadno získat na destičkách o průměru až 300 milimetrů. Dále se film tepelně zpracuje v sirných parách. V důsledku toho jsou atomy kyslíku v MoO3 nahrazeny atomy síry a vzniká MoS2. Již jsme se naučili pěstovat atomově tenké filmy MoS2 na ploše až několika desítek centimetrů čtverečních,“ vysvětluje Andrey Markeev, vedoucí laboratoře MIPT Atomic Layer Deposition Lab.

Vědci zjistili, že struktura filmu závisí na teplotě síření. Filmy sířené při 500 °С obsahují krystalická zrna, každý o velikosti několika nanometrů, uložená v amorfní matrici. Při 700 °С mají tyto krystality průměr asi 10-20 nm a vrstvy S-Mo-S jsou orientovány kolmo k povrchu. Výsledkem je, že povrch má četné visící vazby. Taková struktura vykazuje vysokou katalytickou aktivitu v mnoha reakcích, včetně reakce vývoje vodíku. Pro použití MoS2 v elektronice musí být vrstvy S-Mo-S rovnoběžné s povrchem, čehož je dosaženo při teplotách síření 900-1000°С. Výsledné filmy jsou tenké jako 1,3 nm nebo dvě molekulární vrstvy a mají komerčně významnou (tj. dostatečně velkou) plochu.

Filmy MoS2 syntetizované za optimálních podmínek byly zavedeny do prototypových struktur kov-dielektrikum-polovodič, které jsou založeny na feroelektrickém oxidu hafnia a modelují tranzistor s efektem pole. Film MoS2 v těchto strukturách sloužil jako polovodičový kanál. Jeho vodivost byla řízena přepínáním směru polarizace feroelektrické vrstvy. Při kontaktu s MoS2 bylo zjištěno, že materiál La:(HfO2-ZrO2), který byl dříve vyvinut v laboratoři MIPT, má zbytkovou polarizaci přibližně 18 mikrocoulombů na centimetr čtvereční. Se spínací výdrží 5 milionů cyklů překonal dosavadní světový rekord 100 000 cyklů pro křemíkové kanály.