Forschern des Moskauer Instituts für Physik und Technologie ist es gelungen, atomar dünne Filme aus Molybdändisulfid mit einer Fläche von mehreren zehn Zentimetern im Quadrat zu züchten. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Materials durch Variation der Synthesetemperatur verändert werden kann. Die für die Elektronik und Optoelektronik wichtigen Filme wurden bei 900-1.000° Celsius gewonnen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Applied Nano Materials veröffentlicht.

Zweidimensionale Materialien stoßen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, die sich aus ihrer Struktur und quantenmechanischen Einschränkungen ergeben, auf großes Interesse. Die Familie der 2D-Materialien umfasst Metalle, Halbmetalle, Halbleiter und Isolatoren. Graphen, das vielleicht bekannteste 2D-Material, ist eine Monoschicht aus Kohlenstoffatomen. Es verfügt über die höchste Ladungsträgermobilität, die bisher gemessen wurde. Allerdings weist Graphen unter Standardbedingungen keine Bandlücke auf, was seine Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.

Im Gegensatz zu Graphen eignet sich Molybdändisulfid (MoS2) aufgrund seiner optimalen Breite der Bandlücke für den Einsatz in elektronischen Geräten. Jede MoS2-Schicht hat eine Sandwichstruktur, wobei eine Molybdänschicht zwischen zwei Schichten aus Schwefelatomen eingeklemmt ist. Auch zweidimensionale Van-der-Waals-Heterostrukturen, die verschiedene zweidimensionale Materialien kombinieren, sind vielversprechend. Tatsächlich werden sie bereits häufig in energiebezogenen Anwendungen und in der Katalyse eingesetzt. Die (großflächige) Synthese von 2-D-Molybdändisulfid im Wafermaßstab zeigt das Potenzial für bahnbrechende Fortschritte bei der Herstellung transparenter und flexibler elektronischer Geräte, der optischen Kommunikation für Computer der nächsten Generation sowie in anderen Bereichen der Elektronik und Optoelektronik.

„Die von uns entwickelte Methode zur Synthese von MoS2 umfasst zwei Schritte. Zunächst wird mithilfe der Atomlagenabscheidungstechnik ein MoO3-Film gezüchtet, der eine präzise Atomlagendicke bietet und eine konforme Beschichtung aller Oberflächen ermöglicht. Und MoO3 lässt sich problemlos auf Wafern mit einem Durchmesser von bis zu 300 Millimetern gewinnen. Anschließend wird die Folie in Schwefeldampf wärmebehandelt. Dadurch werden die Sauerstoffatome im MoO3 durch Schwefelatome ersetzt und es entsteht MoS2. „Wir haben bereits gelernt, atomar dünne MoS2-Filme auf einer Fläche von bis zu mehreren zehn Quadratzentimetern wachsen zu lassen“, erklärt Andrey Markeev, Leiter des Atomic Layer Deposition Lab des MIPT.

Die Forscher stellten fest, dass die Struktur des Films von der Schwefelungstemperatur abhängt. Die bei 500°C geschwefelten Filme enthalten kristalline Körner von jeweils wenigen Nanometern, eingebettet in eine amorphe Matrix. Bei 700 °C haben diese Kristallite einen Durchmesser von etwa 10–20 nm und die S-Mo-S-Schichten sind senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet. Dadurch weist die Oberfläche zahlreiche freie Bindungen auf. Eine solche Struktur zeigt eine hohe katalytische Aktivität bei vielen Reaktionen, einschließlich der Wasserstoffentwicklungsreaktion. Damit MoS2 in der Elektronik verwendet werden kann, müssen die S-Mo-S-Schichten parallel zur Oberfläche sein, was bei Schwefelungstemperaturen von 900–1.000 °C erreicht wird. Die resultierenden Filme sind nur 1,3 nm oder zwei Molekülschichten dünn und haben eine kommerziell bedeutende (dh ausreichend große) Fläche.

Die unter optimalen Bedingungen synthetisierten MoS2-Filme wurden in Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Prototypstrukturen eingebracht, die auf ferroelektrischem Hafniumoxid basieren und einen Feldeffekttransistor modellieren. Der MoS2-Film in diesen Strukturen diente als Halbleiterkanal. Seine Leitfähigkeit wurde durch Umschalten der Polarisationsrichtung der ferroelektrischen Schicht gesteuert. Bei Kontakt mit MoS2 wurde festgestellt, dass das La:(HfO2-ZrO2)-Material, das zuvor im MIPT-Labor entwickelt wurde, eine Restpolarisation von etwa 18 Mikrocoulomb pro Quadratzentimeter aufweist. Mit einer Schaltdauer von 5 Millionen Zyklen übertraf es den bisherigen Weltrekord von 100.000 Zyklen für Siliziumkanäle.