A Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet kutatóinak sikerült atomosan vékony, több tíz négyzetcentiméteres molibdén-diszulfid filmeket növeszteni. Kimutattam, hogy az anyag szerkezete módosítható a szintézis hőmérsékletének változtatásával. Az elektronika és az optoelektronika számára fontos filmeket 900-1000 Celsius-fokon állították elő. Az eredményeket az ACS Applied Nano Materials folyóiratban tették közzé.

A kétdimenziós anyagok szerkezetükből és kvantummechanikai korlátaiból adódó egyedi tulajdonságaik miatt jelentős érdeklődést váltanak ki. A 2-D anyagok családjába fémek, félfémek, félvezetők és szigetelők tartoznak. A grafén, amely talán a leghíresebb 2-D anyag, szénatomok egyrétegű rétege. Ez az eddigi legmagasabb töltéshordozó mobilitás. A grafénnek azonban nincs sávrés szabványos körülmények között, és ez korlátozza alkalmazását.

A graféntől eltérően a molibdén-diszulfidban (MoS2) a sávszélesség optimális szélessége alkalmassá teszi az elektronikus eszközökben való használatra. Mindegyik MoS2 réteg szendvics szerkezetű, két kénatomréteg közé egy molibdénréteg van beszorítva. A kétdimenziós van der Waals heterostruktúrák, amelyek különböző 2-D anyagokat kombinálnak, szintén nagy ígéretet mutatnak. Valójában már széles körben használják az energiával kapcsolatos alkalmazásokban és katalízisben. A 2-D molibdén-diszulfid ostyaléptékű (nagy felületű) szintézise megmutatja az áttörés lehetőségét az átlátszó és rugalmas elektronikus eszközök létrehozásában, a következő generációs számítógépek optikai kommunikációjában, valamint az elektronika és az optoelektronika más területein.

„A MoS2 szintetizálására kidolgozott módszer két lépésből áll. Először egy MoO3-filmet növesztenek atomréteg-lerakódási technikával, amely pontos atomi rétegvastagságot biztosít, és lehetővé teszi az összes felület konform bevonását. A MoO3 pedig könnyen beszerezhető akár 300 milliméter átmérőjű ostyákon is. Ezután a filmet kéngőzben hőkezelik. Ennek eredményeként a MoO3-ban az oxigénatomokat kénatomok váltják fel, és MoS2 képződik. Megtanultuk már, hogy akár több tíz négyzetcentiméteres felületen is lehet atomosan vékony MoS2 filmeket növeszteni” – magyarázza Andrey Markeev, a MIPT Atomic Layer Deposition Lab vezetője.

A kutatók megállapították, hogy a film szerkezete a kénezési hőmérséklettől függ. Az 500°C-on kénezett filmek egyenként néhány nanométeres kristályos szemcséket tartalmaznak amorf mátrixba ágyazva. 700 °C-on ezek a krisztallitok körülbelül 10-20 nm átmérőjűek, és az S-Mo-S rétegek merőlegesek a felületre. Ennek eredményeként a felületen számos lógó kötés található. Az ilyen szerkezet számos reakcióban nagy katalitikus aktivitást mutat, beleértve a hidrogénfejlődési reakciót is. Ahhoz, hogy a MoS2 az elektronikában használható legyen, az S-Mo-S rétegeknek párhuzamosnak kell lenniük a felülettel, ami 900-1000°С kénezési hőmérsékleten érhető el. A kapott filmek 1,3 nm-es vékonyak, vagyis két molekularétegűek, és kereskedelmileg jelentős (azaz elég nagy) területtel rendelkeznek.

Az optimális körülmények között szintetizált MoS2 filmeket fém-dielektrikum-félvezető prototípus struktúrákba vezették be, amelyek ferroelektromos hafnium-oxid alapúak és térhatású tranzisztort modelleznek. A MoS2 film ezekben a struktúrákban félvezető csatornaként szolgált. Vezetőképességét a ferroelektromos réteg polarizációs irányának változtatásával szabályoztuk. Amikor MoS2-vel érintkezett, a korábban a MIPT laboratóriumban kifejlesztett La:(HfO2-ZrO2) anyag maradék polarizációja körülbelül 18 mikrokulon/négyzetcentiméter. 5 millió ciklusos kapcsolási tartósságával megdöntötte a szilíciumcsatornák korábbi 100 000 ciklusos világrekordját.