Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont réussi à faire croître des films atomiquement minces de bisulfure de molybdène s'étendant jusqu'à plusieurs dizaines de centimètres carrés. Il a été démontré que la structure du matériau peut être modifiée en faisant varier la température de synthèse. Les films, importants pour l'électronique et l'optoélectronique, ont été obtenus entre 900 et 1 000° Celsius. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Nano Materials.

Les matériaux bidimensionnels suscitent un intérêt considérable en raison de leurs propriétés uniques découlant de leur structure et des restrictions de la mécanique quantique. La famille des matériaux 2D comprend les métaux, les semi-métaux, les semi-conducteurs et les isolants. Le graphène, qui est peut-être le matériau 2D le plus célèbre, est une monocouche d'atomes de carbone. Il présente la mobilité des porteurs de charge la plus élevée enregistrée à ce jour. Cependant, le graphène n’a pas de bande interdite dans des conditions standard, ce qui limite ses applications.

Contrairement au graphène, la largeur optimale de la bande interdite du bisulfure de molybdène (MoS2) le rend adapté à une utilisation dans les appareils électroniques. Chaque couche de MoS2 a une structure sandwich, avec une couche de molybdène coincée entre deux couches d'atomes de soufre. Les hétérostructures bidimensionnelles de Van der Waals, qui combinent différents matériaux 2D, sont également très prometteuses. En fait, ils sont déjà largement utilisés dans les applications liées à l’énergie et en catalyse. La synthèse à l'échelle d'une tranche (sur une grande surface) du bisulfure de molybdène 2D montre le potentiel de progrès décisifs dans la création de dispositifs électroniques transparents et flexibles, la communication optique pour les ordinateurs de nouvelle génération, ainsi que dans d'autres domaines de l'électronique et de l'optoélectronique.

« La méthode que nous avons mise au point pour synthétiser le MoS2 comporte deux étapes. Tout d’abord, un film de MoO3 est développé à l’aide de la technique de dépôt de couche atomique, qui offre une épaisseur de couche atomique précise et permet un revêtement conforme de toutes les surfaces. Et MoO3 peut facilement être obtenu sur des tranches allant jusqu'à 300 millimètres de diamètre. Ensuite, le film est traité thermiquement dans de la vapeur de soufre. En conséquence, les atomes d’oxygène du MoO3 sont remplacés par des atomes de soufre et du MoS2 se forme. Nous avons déjà appris à faire croître des films de MoS2 atomiquement minces sur une surface allant jusqu'à plusieurs dizaines de centimètres carrés », explique Andrey Markeev, directeur du laboratoire de dépôt de couches atomiques du MIPT.

Les chercheurs ont déterminé que la structure du film dépend de la température de sulfuration. Les films sulfurés à 500°C contiennent des grains cristallins de quelques nanomètres chacun, noyés dans une matrice amorphe. À 700 °C, ces cristallites mesurent environ 10 à 20 nm de diamètre et les couches de S-Mo-S sont orientées perpendiculairement à la surface. En conséquence, la surface présente de nombreuses liaisons pendantes. Une telle structure démontre une activité catalytique élevée dans de nombreuses réactions, y compris la réaction de dégagement d'hydrogène. Pour que le MoS2 soit utilisé en électronique, les couches de S-Mo-S doivent être parallèles à la surface, ce qui est obtenu à des températures de sulfuration de 900 à 1 000 °C. Les films résultants sont aussi minces que 1,3 nm, soit deux couches moléculaires, et ont une surface commercialement significative (c'est-à-dire suffisamment grande).

Les films de MoS2 synthétisés dans des conditions optimales ont été introduits dans des structures prototypes métal-diélectrique-semi-conducteur, basées sur de l'oxyde de hafnium ferroélectrique et modélisant un transistor à effet de champ. Le film MoS2 dans ces structures servait de canal semi-conducteur. Sa conductivité était contrôlée en changeant la direction de polarisation de la couche ferroélectrique. Au contact du MoS2, le matériau La:(HfO2-ZrO2), précédemment développé dans le laboratoire du MIPT, s'est avéré avoir une polarisation résiduelle d'environ 18 microcoulombs par centimètre carré. Avec une endurance de commutation de 5 millions de cycles, il a dépassé le précédent record mondial de 100 000 cycles pour les canaux en silicium.