Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har formået at dyrke atomisk tynde film af molybdændisulfid, der strækker sig op til flere titusinder kvadratcentimeter. Det blev påvist, at materialets struktur kan modificeres ved at variere syntesetemperaturen. Filmene, som er vigtige for elektronik og optoelektronik, blev opnået ved 900-1.000° Celsius. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Nano Materials.

Todimensionelle materialer tiltrækker betydelig interesse på grund af deres unikke egenskaber, der stammer fra deres struktur og kvantemekaniske begrænsninger. Familien af ​​2-D materialer omfatter metaller, halvmetaller, halvledere og isolatorer. Grafen, som måske er det mest berømte 2D-materiale, er et monolag af kulstofatomer. Den har den højeste afgiftsoperatørmobilitet, der er registreret til dato. Men grafen har ingen båndgab under standardbetingelser, og det begrænser dets anvendelser.

I modsætning til grafen gør den optimale bredde af båndgabet i molybdændisulfid (MoS2) den velegnet til brug i elektroniske enheder. Hvert MoS2-lag har en sandwichstruktur med et lag af molybdæn klemt mellem to lag af svovlatomer. Todimensionelle van der Waals heterostrukturer, der kombinerer forskellige 2-D materialer, viser også meget lovende. Faktisk er de allerede meget brugt i energirelaterede applikationer og katalyse. Wafer-skala (stort område) syntese af 2-D molybdændisulfid viser potentialet for banebrydende fremskridt i skabelsen af ​​gennemsigtige og fleksible elektroniske enheder, optisk kommunikation til næste generations computere såvel som inden for andre områder af elektronik og optoelektronik.

"Den metode, vi fandt på til at syntetisere MoS2, involverer to trin. Først dyrkes en film af MoO3 ved hjælp af atomlagsdepositionsteknikken, som giver præcis atomlagtykkelse og tillader ensartet belægning af alle overflader. Og MoO3 kan nemt fås på wafers på op til 300 millimeter i diameter. Dernæst varmebehandles filmen i svovldamp. Som følge heraf erstattes oxygenatomerne i MoO3 med svovlatomer, og MoS2 dannes. Vi har allerede lært at dyrke atomisk tynde MoS2-film på et areal på op til flere ti kvadratcentimeter,” forklarer Andrey Markeev, lederen af ​​MIPTs Atomic Layer Deposition Lab.

Forskerne fastslog, at filmens struktur afhænger af svovltemperaturen. Filmene sulfuriseret ved 500°С indeholder krystallinske korn, nogle få nanometer hver, indlejret i en amorf matrix. Ved 700 ° С er disse krystallitter omkring 10-20 nm på tværs, og S-Mo-S-lagene er orienteret vinkelret på overfladen. Som et resultat har overfladen adskillige dinglende bindinger. En sådan struktur viser høj katalytisk aktivitet i mange reaktioner, herunder hydrogenudviklingsreaktionen. For at MoS2 kan bruges i elektronik, skal S-Mo-S-lagene være parallelle med overfladen, hvilket opnås ved svovltemperaturer på 900-1.000°С. De resulterende film er så tynde som 1,3 nm eller to molekylære lag og har et kommercielt signifikant (dvs. stort nok) areal.

MoS2-filmene syntetiseret under optimale forhold blev indført i metal-dielektrisk-halvlederprototypestrukturer, som er baseret på ferroelektrisk hafniumoxid og modellerer en felteffekttransistor. MoS2-filmen i disse strukturer tjente som en halvlederkanal. Dens ledningsevne blev styret ved at skifte polarisationsretningen af ​​det ferroelektriske lag. Ved kontakt med MoS2 viste det sig, at La:(HfO2-ZrO2)-materialet, som tidligere blev udviklet i MIPT-laboratoriet, havde en resterende polarisering på cirka 18 mikrocoulombs pr. kvadratcentimeter. Med en skiftudholdenhed på 5 millioner cyklusser toppede den den tidligere verdensrekord på 100.000 cyklusser for siliciumkanaler.