Istraživači s Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju uspjeli su uzgojiti atomski tanke filmove molibden disulfida koji se protežu do nekoliko desetaka kvadratnih centimetara. Pokazano je da se struktura materijala može modificirati mijenjanjem temperature sinteze. Filmovi, koji su važni za elektroniku i optoelektroniku, dobiveni su na 900-1000° Celzija. Nalazi su objavljeni u časopisu ACS Applied Nano Materials.

Dvodimenzionalni materijali privlače značajan interes zbog svojih jedinstvenih svojstava koja proizlaze iz njihove strukture i kvantno-mehaničkih ograničenja. Obitelj 2-D materijala uključuje metale, polumetale, poluvodiče i izolatore. Grafen, koji je možda najpoznatiji 2-D materijal, monosloj je ugljikovih atoma. Ima najveću pokretljivost nositelja naboja zabilježenu do danas. Međutim, grafen nema propusni pojas u standardnim uvjetima, što ograničava njegovu primjenu.

Za razliku od grafena, optimalna širina zabranjenog pojasa u molibden disulfidu (MoS2) čini ga prikladnim za upotrebu u elektroničkim uređajima. Svaki MoS2 sloj ima sendvič strukturu, sa slojem molibdena stisnutim između dva sloja atoma sumpora. Dvodimenzionalne van der Waalsove heterostrukture, koje kombiniraju različite 2-D materijale, također obećavaju. Zapravo, oni se već široko koriste u primjenama vezanim uz energiju i katalizu. Sinteza 2-D molibden disulfida na pločicama (velike površine) pokazuje potencijal za revolucionarni napredak u stvaranju transparentnih i fleksibilnih elektroničkih uređaja, optičke komunikacije za računala sljedeće generacije, kao i u drugim poljima elektronike i optoelektronike.

“Metoda koju smo smislili za sintetiziranje MoS2 uključuje dva koraka. Najprije se uzgaja film MoO3 pomoću tehnike taloženja atomskog sloja, koja nudi preciznu debljinu atomskog sloja i omogućuje konformno oblaganje svih površina. A MoO3 se lako može dobiti na pločicama promjera do 300 milimetara. Zatim se film toplinski obrađuje u parama sumpora. Kao rezultat toga, atomi kisika u MoO3 zamijenjeni su atomima sumpora i nastaje MoS2. Već smo naučili uzgajati atomski tanke MoS2 filmove na površini do nekoliko desetaka četvornih centimetara,” objašnjava Andrey Markeev, voditelj MIPT-ovog Laboratorija za taloženje atomskog sloja.

Istraživači su utvrdili da struktura filma ovisi o temperaturi sumporenja. Filmovi sumporeni na 500°C sadrže kristalna zrnca, svaka od nekoliko nanometara, ugrađena u amorfnu matricu. Na 700°S, ovi kristaliti su oko 10-20 nm u promjeru, a S-Mo-S slojevi su orijentirani okomito na površinu. Kao rezultat toga, površina ima brojne viseće veze. Takva struktura pokazuje visoku katalitičku aktivnost u mnogim reakcijama, uključujući reakciju razvijanja vodika. Da bi se MoS2 mogao koristiti u elektronici, slojevi S-Mo-S moraju biti paralelni s površinom, što se postiže na temperaturama sumporenja od 900-1000°S. Rezultirajući filmovi su tanki kao 1,3 nm, ili dva molekularna sloja, i imaju komercijalno značajno (tj. dovoljno veliko) područje.

MoS2 filmovi sintetizirani pod optimalnim uvjetima uvedeni su u prototipne strukture metal-dielektrik-poluvodič, koje se temelje na feroelektričnom hafnijevom oksidu i modeliraju tranzistor s efektom polja. Film MoS2 u ovim je strukturama služio kao poluvodički kanal. Njegova vodljivost kontrolirana je promjenom smjera polarizacije feroelektričnog sloja. U kontaktu s MoS2, materijal La:(HfO2-ZrO2), koji je ranije razvijen u laboratoriju MIPT-a, imao je zaostalu polarizaciju od približno 18 mikrokulona po kvadratnom centimetru. Uz izdržljivost prebacivanja od 5 milijuna ciklusa, nadmašio je prethodni svjetski rekord od 100.000 ciklusa za silikonske kanale.