Moskva Füüsika- ja Tehnoloogiainstituudi teadlastel on õnnestunud kasvatada aatomõhukesed molübdeendisulfiidi kiled, mille pindala ulatub kuni mitukümmend ruutmeetrit. Näidati, et materjali struktuuri saab muuta sünteesitemperatuuri muutmisega. Elektroonikale ja optoelektroonikale olulised kiled saadi 900-1000 °C juures. Tulemused avaldati ajakirjas ACS Applied Nano Materials.

Kahemõõtmelised materjalid äratavad märkimisväärset huvi nende ainulaadsete omaduste tõttu, mis tulenevad nende struktuurist ja kvantmehaanilistest piirangutest. 2-D materjalide perekonda kuuluvad metallid, poolmetallid, pooljuhid ja isolaatorid. Grafeen, mis on ehk kõige kuulsam 2-D materjal, on süsinikuaatomite monokiht. Sellel on seni registreeritud suurim laengukandja liikuvus. Siiski ei ole grafeenil standardtingimustes ribalaiust ja see piirab selle rakendusi.

Erinevalt grafeenist muudab molübdeendisulfiidi (MoS2) ribalaiuse optimaalne laius selle sobivaks kasutamiseks elektroonikaseadmetes. Igal MoS2 kihil on sandwich struktuur, mille kahe väävliaatomi kihi vahele on pressitud molübdeenikiht. Kahemõõtmelised van der Waalsi heterostruktuurid, mis ühendavad erinevaid 2-D materjale, näitavad samuti suurt lubadust. Tegelikult kasutatakse neid juba laialdaselt energiaga seotud rakendustes ja katalüüsis. 2-D molübdeendisulfiidi vahvliskaala (suure pinnaga) süntees näitab potentsiaali läbimurdeliseks edusammuks läbipaistvate ja paindlike elektroonikaseadmete loomisel, järgmise põlvkonna arvutite optilises sides, aga ka muudes elektroonika ja optoelektroonika valdkondades.

"Meetod, mille MoS2 sünteesimiseks välja mõtlesime, hõlmab kahte etappi. Esiteks kasvatatakse MoO3 kile, kasutades aatomkihtsadestamise tehnikat, mis pakub täpset aatomikihi paksust ja võimaldab katta kõik pinnad ühtlaselt. Ja MoO3 saab hõlpsasti kuni 300-millimeetrise läbimõõduga vahvlitele. Järgmisena kuumtöödeldakse kilet väävliaurus. Selle tulemusena asenduvad MoO3 hapnikuaatomid väävliaatomitega ja moodustub MoS2. Oleme juba õppinud kasvatama aatomõhukesi MoS2 kilesid kuni mitmekümne ruutsentimeetri suurusel alal,” selgitab MIPT-i aatomikihtsadestamise labori juht Andrey Markeev.

Teadlased tegid kindlaks, et kile struktuur sõltub vääveldamistemperatuurist. Temperatuuril 500 °С vääveldatud kiled sisaldavad mõne nanomeetri suuruseid kristalseid terakesi, mis on põimitud amorfsesse maatriksisse. Temperatuuril 700 ° C on nende kristalliidide läbimõõt umbes 10-20 nm ja S-Mo-S kihid on pinnaga risti. Selle tulemusena on pinnal arvukalt rippuvaid sidemeid. Selline struktuur näitab kõrget katalüütilist aktiivsust paljudes reaktsioonides, sealhulgas vesiniku eraldumise reaktsioonis. MoS2 kasutamiseks elektroonikas peavad S-Mo-S kihid olema pinnaga paralleelsed, mis saavutatakse vääveldamistemperatuuridel 900-1000°С. Saadud kiled on õhukesed kuni 1,3 nm ehk kaks molekulikihti ja neil on kaubanduslikult oluline (st piisavalt suur) pindala.

Optimaalsetes tingimustes sünteesitud MoS2 kiled viidi metall-dielektrik-pooljuht prototüüpstruktuuridesse, mis põhinevad ferroelektrilisel hafniumoksiidil ja modelleerivad väljatransistori. Nendes struktuurides olev MoS2 kile toimis pooljuhtkanalina. Selle juhtivust kontrolliti ferroelektrilise kihi polarisatsioonisuuna muutmisega. MoS2-ga kokkupuutel leiti, et La:(HfO2-ZrO2) materjalil, mis töötati välja varem MIPT laboris, on jääkpolarisatsioon ligikaudu 18 mikrokuloni ruutsentimeetri kohta. 5 miljoni tsükli pikkuse lülituskindlusega ületas see ränikanalite eelmise maailmarekordi 100 000 tsüklit.