Moskovan fysiikan ja teknologian instituutin tutkijat ovat onnistuneet kasvattamaan atomiohuita molybdeenidisulfidikalvoja, joiden pinta-ala on useita kymmeniä neliösenttimiä. Osoitettiin, että materiaalin rakennetta voidaan muuttaa muuttamalla synteesilämpötilaa. Elektroniikalle ja optoelektroniikalle tärkeät kalvot saatiin 900-1000 celsiusasteessa. Tulokset julkaistiin ACS Applied Nano Materials -lehdessä.

Kaksiulotteiset materiaalit herättävät suurta kiinnostusta niiden rakenteesta ja kvanttimekaanisista rajoituksista johtuvien ainutlaatuisten ominaisuuksiensa vuoksi. 2-D-materiaalien perheeseen kuuluvat metallit, puolimetallit, puolijohteet ja eristeet. Grafeeni, joka on ehkä tunnetuin 2-D-materiaali, on hiiliatomien yksikerros. Sillä on tähän mennessä mitattu korkein latauskantajan liikkuvuus. Grafeenilla ei kuitenkaan ole kaistaväliä standardiolosuhteissa, mikä rajoittaa sen sovelluksia.

Toisin kuin grafeeni, molybdeenidisulfidin (MoS2) optimaalinen kaistanleveys tekee siitä sopivan käytettäväksi elektronisissa laitteissa. Jokaisella MoS2-kerroksella on sandwich-rakenne, jossa molybdeenikerros on puristettu kahden rikkiatomikerroksen väliin. Myös kaksiulotteiset van der Waalsin heterorakenteet, jotka yhdistävät erilaisia ​​2-D-materiaaleja, ovat lupaavia. Itse asiassa niitä käytetään jo laajalti energiaan liittyvissä sovelluksissa ja katalyysissä. 2-D-molybdeenidisulfidin kiekkojen (suuren alueen) synteesi osoittaa läpimurtopotentiaalin läpinäkyvien ja joustavien elektronisten laitteiden luomisessa, optisessa viestinnässä seuraavan sukupolven tietokoneita varten sekä muilla elektroniikan ja optoelektroniikan aloilla.

”Menetelmä, jonka keksimme syntetisoida MoS2, sisältää kaksi vaihetta. Ensin kasvatetaan MoO3-kalvo atomikerrospinnoitustekniikalla, joka tarjoaa tarkan atomikerroksen paksuuden ja mahdollistaa kaikkien pintojen mukaisen pinnoittamisen. Ja MoO3 voidaan helposti saada halkaisijaltaan jopa 300 millimetrin levyihin. Seuraavaksi kalvo lämpökäsitellään rikkihöyryssä. Tämän seurauksena MoO3:n happiatomit korvataan rikkiatomeilla ja muodostuu MoS2:ta. Olemme jo oppineet kasvattamaan atomiohuita MoS2-kalvoja jopa useiden kymmenien neliösenttimetrien kokoiselle alueelle”, kertoo Andrey Markeev, MIPT:n atomikerrospinnoituslaboratorion johtaja.

Tutkijat totesivat, että kalvon rakenne riippuu rikityslämpötilasta. 500°C:ssa rikitetyt kalvot sisältävät muutaman nanometrin kiteisiä rakeita upotettuna amorfiseen matriisiin. 700 °C:ssa nämä kristalliitit ovat halkaisijaltaan noin 10-20 nm ja S-Mo-S-kerrokset ovat kohtisuorassa pintaan nähden. Tämän seurauksena pinnassa on lukuisia roikkuvia sidoksia. Tällainen rakenne osoittaa suurta katalyyttistä aktiivisuutta monissa reaktioissa, mukaan lukien vedyn kehittymisreaktio. Jotta MoS2:ta voidaan käyttää elektroniikassa, S-Mo-S-kerrosten tulee olla yhdensuuntaisia ​​pinnan kanssa, mikä saavutetaan 900-1 000°C:n rikityslämpötiloissa. Tuloksena olevat kalvot ovat ohuita kuin 1,3 nm tai kaksi molekyylikerrosta, ja niillä on kaupallisesti merkittävä (eli riittävän suuri) pinta-ala.

Optimaalisissa olosuhteissa syntetisoidut MoS2-kalvot liitettiin metalli-dielektri-puolijohde-prototyyppirakenteisiin, jotka perustuvat ferrosähköiseen hafniumoksidiin ja mallintavat kenttätransistoria. Näissä rakenteissa oleva MoS2-kalvo toimi puolijohdekanavana. Sen johtavuutta säädettiin vaihtamalla ferrosähköisen kerroksen polarisaatiosuuntaa. Aiemmin MIPT-laboratoriossa kehitetyn La:(HfO2-ZrO2) -materiaalin ollessa kosketuksissa MoS2:n jäännöspolarisaation havaittiin olevan noin 18 mikrokulonia neliösenttimetriä kohti. Se ylitti piikanavien aiemman 100 000 syklin maailmanennätyksen 5 miljoonan syklin kytkentäkestävyydellä.