Ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας κατάφεραν να αναπτύξουν ατομικά λεπτές μεμβράνες δισουλφιδίου του μολυβδαινίου που εκτείνονται έως και αρκετές δεκάδες τετραγωνικά εκατοστά. Αποδείχθηκε ότι η δομή του υλικού μπορεί να τροποποιηθεί μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία σύνθεσης. Τα φιλμ, τα οποία είναι σημαντικά για την ηλεκτρονική και την οπτοηλεκτρονική, ελήφθησαν στους 900-1.000° Κελσίου. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό ACS Applied Nano Materials.

Τα δισδιάστατα υλικά προσελκύουν σημαντικό ενδιαφέρον λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους που πηγάζουν από τη δομή τους και τους κβαντομηχανικούς περιορισμούς. Η οικογένεια των 2-D υλικών περιλαμβάνει μέταλλα, ημιμέταλλα, ημιαγωγούς και μονωτές. Το γραφένιο, το οποίο είναι ίσως το πιο διάσημο υλικό 2-D, είναι μια μονοστιβάδα ατόμων άνθρακα. Έχει την υψηλότερη κινητικότητα φορτιστή που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα. Ωστόσο, το γραφένιο δεν έχει κενό ζώνης υπό τυπικές συνθήκες και αυτό περιορίζει τις εφαρμογές του.

Σε αντίθεση με το γραφένιο, το βέλτιστο πλάτος του διακένου στο δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS2) το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε ηλεκτρονικές συσκευές. Κάθε στρώμα MoS2 έχει μια δομή σάντουιτς, με ένα στρώμα μολυβδαινίου συμπιεσμένο μεταξύ δύο στρωμάτων ατόμων θείου. Οι δισδιάστατες ετεροδομές van der Waals, οι οποίες συνδυάζουν διαφορετικά δισδιάστατα υλικά, υπόσχονται επίσης πολλά. Στην πραγματικότητα, χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως σε εφαρμογές που σχετίζονται με την ενέργεια και κατάλυση. Η σύνθεση 2-D δισουλφιδίου του μολυβδαινίου σε κλίμακα (μεγάλης επιφάνειας) δείχνει τη δυνατότητα για πρωτοποριακή πρόοδο στη δημιουργία διαφανών και ευέλικτων ηλεκτρονικών συσκευών, οπτικής επικοινωνίας για υπολογιστές επόμενης γενιάς, καθώς και σε άλλους τομείς της ηλεκτρονικής και της οπτοηλεκτρονικής.

«Η μέθοδος που καταλήξαμε για να συνθέσουμε το MoS2 περιλαμβάνει δύο βήματα. Πρώτον, μια μεμβράνη MoO3 αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας την τεχνική εναπόθεσης ατομικού στρώματος, η οποία προσφέρει ακριβές πάχος ατομικής στρώσης και επιτρέπει την σύμμορφη επίστρωση όλων των επιφανειών. Και το MoO3 μπορεί εύκολα να ληφθεί σε γκοφρέτες διαμέτρου έως 300 χιλιοστών. Στη συνέχεια, η μεμβράνη υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία σε ατμό θείου. Ως αποτέλεσμα, τα άτομα οξυγόνου στο MoO3 αντικαθίστανται από άτομα θείου και σχηματίζεται MoS2. Έχουμε ήδη μάθει να αναπτύσσουμε ατομικά λεπτές μεμβράνες MoS2 σε μια περιοχή έως και αρκετών δεκάδων τετραγωνικών εκατοστών», εξηγεί ο Andrey Markeev, επικεφαλής του Εργαστηρίου Ατομικής Εναπόθεσης Στοιβάδων του MIPT.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η δομή του φιλμ εξαρτάται από τη θερμοκρασία θείωσης. Οι μεμβράνες που θειώνονται στους 500°C περιέχουν κρυσταλλικούς κόκκους, μερικά νανόμετρα το καθένα, ενσωματωμένους σε μια άμορφη μήτρα. Στους 700°C, αυτοί οι κρυσταλλίτες έχουν διάμετρο περίπου 10-20 nm και τα στρώματα S-Mo-S είναι προσανατολισμένα κάθετα στην επιφάνεια. Ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια έχει πολυάριθμους κρέμονται δεσμούς. Μια τέτοια δομή επιδεικνύει υψηλή καταλυτική δράση σε πολλές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της αντίδρασης έκλυσης υδρογόνου. Για να χρησιμοποιηθεί το MoS2 στα ηλεκτρονικά, τα στρώματα S-Mo-S πρέπει να είναι παράλληλα με την επιφάνεια, κάτι που επιτυγχάνεται σε θερμοκρασίες θείωσης 900-1.000°С. Οι προκύπτουσες μεμβράνες είναι τόσο λεπτές όσο 1,3 nm, ή δύο μοριακές στιβάδες, και έχουν μια εμπορικά σημαντική (δηλαδή, αρκετά μεγάλη) περιοχή.

Οι μεμβράνες MoS2 που συντέθηκαν υπό βέλτιστες συνθήκες εισήχθησαν σε πρωτότυπες δομές μετάλλου-διηλεκτρικού-ημιαγωγού, οι οποίες βασίζονται σε σιδηροηλεκτρικό οξείδιο του αφνίου και μοντελοποιούν ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Το φιλμ MoS2 σε αυτές τις δομές χρησίμευε ως κανάλι ημιαγωγών. Η αγωγιμότητά του ελεγχόταν με αλλαγή της κατεύθυνσης πόλωσης του σιδηροηλεκτρικού στρώματος. Όταν έρχεται σε επαφή με το MoS2, το υλικό La:(HfO2-ZrO2), το οποίο αναπτύχθηκε νωρίτερα στο εργαστήριο MIPT, βρέθηκε να έχει υπολειπόμενη πόλωση περίπου 18 μικροκουλόμπ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Με αντοχή μεταγωγής 5 εκατομμυρίων κύκλων, ξεπέρασε το προηγούμενο παγκόσμιο ρεκόρ των 100.000 κύκλων για κανάλια πυριτίου.