Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han logrado hacer crecer películas atómicamente delgadas de disulfuro de molibdeno que abarcan hasta varias decenas de centímetros cuadrados. Se demostró que la estructura del material se puede modificar variando la temperatura de síntesis. Las películas, importantes para la electrónica y la optoelectrónica, se obtuvieron a temperaturas entre 900 y 1.000° Celsius. Los hallazgos fueron publicados en la revista ACS Applied Nano Materials.

Los materiales bidimensionales están atrayendo un interés considerable debido a sus propiedades únicas derivadas de su estructura y restricciones de la mecánica cuántica. La familia de materiales 2-D incluye metales, semimetales, semiconductores y aislantes. El grafeno, quizás el material bidimensional más famoso, es una monocapa de átomos de carbono. Tiene la mayor movilidad de portadores de carga registrada hasta la fecha. Sin embargo, el grafeno no tiene banda prohibida en condiciones estándar, y eso limita sus aplicaciones.

A diferencia del grafeno, el ancho óptimo de la banda prohibida en el disulfuro de molibdeno (MoS2) lo hace adecuado para su uso en dispositivos electrónicos. Cada capa de MoS2 tiene una estructura tipo sándwich, con una capa de molibdeno comprimida entre dos capas de átomos de azufre. Las heteroestructuras bidimensionales de Van der Waals, que combinan diferentes materiales bidimensionales, también son muy prometedoras. De hecho, ya se utilizan ampliamente en aplicaciones relacionadas con la energía y en catálisis. La síntesis a escala de oblea (de gran área) de disulfuro de molibdeno 2-D muestra el potencial de avances revolucionarios en la creación de dispositivos electrónicos transparentes y flexibles, comunicación óptica para computadoras de próxima generación, así como en otros campos de la electrónica y la optoelectrónica.

“El método que se nos ocurrió para sintetizar MoS2 implica dos pasos. Primero, se cultiva una película de MoO3 utilizando la técnica de deposición de capas atómicas, que ofrece un espesor de capa atómica preciso y permite un recubrimiento conforme de todas las superficies. Y el MoO3 se puede obtener fácilmente en obleas de hasta 300 milímetros de diámetro. A continuación, la película se trata térmicamente con vapor de azufre. Como resultado, los átomos de oxígeno del MoO3 son reemplazados por átomos de azufre y se forma MoS2. Ya hemos aprendido a cultivar películas de MoS2 atómicamente delgadas en un área de hasta varias decenas de centímetros cuadrados”, explica Andrey Markeev, director del Laboratorio de Deposición de Capas Atómicas del MIPT.

Los investigadores determinaron que la estructura de la película depende de la temperatura de sulfuración. Las películas sulfuradas a 500°С contienen granos cristalinos, de unos pocos nanómetros cada uno, incrustados en una matriz amorfa. A 700°С, estos cristalitos tienen entre 10 y 20 nm de ancho y las capas de S-Mo-S están orientadas perpendicularmente a la superficie. Como resultado, la superficie tiene numerosas uniones colgantes. Dicha estructura demuestra una alta actividad catalítica en muchas reacciones, incluida la reacción de desprendimiento de hidrógeno. Para que el MoS2 pueda utilizarse en electrónica, las capas de S-Mo-S deben estar paralelas a la superficie, lo que se consigue a temperaturas de sulfuración de 900-1.000°С. Las películas resultantes son tan delgadas como 1,3 nm, o dos capas moleculares, y tienen un área comercialmente significativa (es decir, lo suficientemente grande).

Las películas de MoS2 sintetizadas en condiciones óptimas se introdujeron en estructuras prototipo de semiconductores dieléctricos metálicos, que se basan en óxido de hafnio ferroeléctrico y modelan un transistor de efecto de campo. La película de MoS2 en estas estructuras sirvió como canal semiconductor. Su conductividad se controló cambiando la dirección de polarización de la capa ferroeléctrica. Cuando entra en contacto con MoS2, se descubrió que el material La:(HfO2-ZrO2), que se desarrolló anteriormente en el laboratorio MIPT, tenía una polarización residual de aproximadamente 18 microculombios por centímetro cuadrado. Con una resistencia de conmutación de 5 millones de ciclos, superó el récord mundial anterior de 100.000 ciclos para canales de silicio.