Investigadores do Instituto de Física e Tecnoloxía de Moscova conseguiron cultivar películas atómicamente finas de disulfuro de molibdeno que abarcan ata varias decenas de centímetros cadrados. Demostrouse que a estrutura do material pode modificarse variando a temperatura de síntese. As películas, que son importantes para a electrónica e a optoelectrónica, obtivéronse a 900-1.000 ° Celsius. Os resultados foron publicados na revista ACS Applied Nano Materials.

Os materiais bidimensionais están atraendo considerable interese debido ás súas propiedades únicas derivadas da súa estrutura e restricións mecánicas cuánticas. A familia de materiais 2D inclúe metais, semimetais, semicondutores e illantes. O grafeno, que quizais é o material 2-D máis famoso, é unha monocapa de átomos de carbono. Ten a mobilidade de operador de carga máis alta rexistrada ata a data. Non obstante, o grafeno non ten intervalos de banda en condicións estándar, e iso limita as súas aplicacións.

A diferenza do grafeno, a anchura óptima do intervalo de banda no disulfuro de molibdeno (MoS2) faino axeitado para o seu uso en dispositivos electrónicos. Cada capa de MoS2 ten unha estrutura tipo sándwich, cunha capa de molibdeno espremida entre dúas capas de átomos de xofre. As heteroestruturas bidimensionais de van der Waals, que combinan diferentes materiais en 2-D, tamén son moi prometedoras. De feito, xa son moi utilizados en aplicacións e catálise relacionadas coa enerxía. A síntese de disulfuro de molibdeno 2-D a escala de obleas (área grande) mostra o potencial de avances revolucionarios na creación de dispositivos electrónicos transparentes e flexibles, comunicación óptica para ordenadores de próxima xeración, así como noutros campos da electrónica e da optoelectrónica.

"O método que creamos para sintetizar MoS2 implica dous pasos. En primeiro lugar, crece unha película de MoO3 mediante a técnica de deposición de capas atómicas, que ofrece un grosor preciso da capa atómica e permite un revestimento conformado de todas as superficies. E MoO3 pódese obter facilmente en obleas de ata 300 milímetros de diámetro. A continuación, a película é tratada térmicamente en vapor de xofre. Como resultado, os átomos de osíxeno en MoO3 son substituídos por átomos de xofre e fórmase MoS2. Xa aprendemos a cultivar películas de MoS2 atómicamente finas nunha área de ata varias decenas de centímetros cadrados", explica Andrey Markeev, xefe do Laboratorio de Deposición de Capas Atómicas do MIPT.

Os investigadores determinaron que a estrutura da película depende da temperatura de sulfuración. As películas sulfuradas a 500°С conteñen grans cristalinos, duns poucos nanómetros cada un, incrustados nunha matriz amorfa. A 700°С, estes cristalitos teñen uns 10-20 nm de diámetro e as capas S-Mo-S están orientadas perpendicularmente á superficie. Como resultado, a superficie ten numerosos enlaces colgantes. Tal estrutura demostra unha alta actividade catalítica en moitas reaccións, incluída a reacción de evolución do hidróxeno. Para que o MoS2 se utilice en electrónica, as capas S-Mo-S teñen que ser paralelas á superficie, o que se consegue a temperaturas de sulfuración de 900-1.000°С. As películas resultantes son tan finas como 1,3 nm, ou dúas capas moleculares, e teñen unha área comercialmente significativa (é dicir, suficientemente grande).

As películas de MoS2 sintetizadas en condicións óptimas foron introducidas en estruturas prototipo de metal-dieléctrico-semicondutores, que se basean en óxido de hafnio ferroeléctrico e modelan un transistor de efecto de campo. A película de MoS2 nestas estruturas serviu como canle de semicondutores. A súa condutividade controlouse cambiando a dirección de polarización da capa ferroeléctrica. Cando estaba en contacto con MoS2, o material La:(HfO2-ZrO2), que foi desenvolvido anteriormente no laboratorio MIPT, descubriuse que tiña unha polarización residual de aproximadamente 18 microcoulombs por centímetro cadrado. Cunha resistencia de conmutación de 5 millóns de ciclos, superou o récord mundial anterior de 100.000 ciclos para as canles de silicio.