Para peneliti dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow telah berhasil menumbuhkan lapisan tipis molibdenum disulfida secara atomik hingga beberapa puluh sentimeter persegi. Telah ditunjukkan bahwa struktur material dapat dimodifikasi dengan memvariasikan suhu sintesis. Film-film tersebut, yang penting bagi elektronika dan optoelektronik, diperoleh pada suhu 900-1.000° Celsius. Temuan ini dipublikasikan di jurnal ACS Applied Nano Materials.

Material dua dimensi menarik banyak minat karena sifat uniknya yang berasal dari struktur dan batasan mekanika kuantum. Kelompok material 2-D meliputi logam, semilogam, semikonduktor, dan isolator. Graphene, yang mungkin merupakan material 2-D paling terkenal, adalah lapisan tunggal atom karbon. Ia mempunyai mobilitas pembawa muatan tertinggi yang tercatat hingga saat ini. Namun, graphene tidak memiliki celah pita dalam kondisi standar, dan ini membatasi penerapannya.

Berbeda dengan graphene, lebar celah pita yang optimal pada molibdenum disulfida (MoS2) membuatnya cocok untuk digunakan pada perangkat elektronik. Setiap lapisan MoS2 memiliki struktur sandwich, dengan lapisan molibdenum terjepit di antara dua lapisan atom belerang. Heterostruktur van der Waals dua dimensi, yang menggabungkan material 2-D yang berbeda, juga menunjukkan harapan besar. Faktanya, mereka sudah banyak digunakan dalam aplikasi yang berhubungan dengan energi dan katalisis. Sintesis molibdenum disulfida 2-D skala wafer (area besar) menunjukkan potensi kemajuan terobosan dalam penciptaan perangkat elektronik yang transparan dan fleksibel, komunikasi optik untuk komputer generasi berikutnya, serta di bidang elektronik dan optoelektronik lainnya.

“Metode yang kami temukan untuk mensintesis MoS2 melibatkan dua langkah. Pertama, film MoO3 ditumbuhkan menggunakan teknik deposisi lapisan atom, yang menawarkan ketebalan lapisan atom yang tepat dan memungkinkan pelapisan konformal pada seluruh permukaan. Dan MoO3 dapat dengan mudah diperoleh pada wafer dengan diameter hingga 300 milimeter. Selanjutnya, film tersebut diberi perlakuan panas dalam uap belerang. Akibatnya, atom oksigen dalam MoO3 digantikan oleh atom belerang, dan terbentuklah MoS2. Kami telah belajar untuk menumbuhkan film MoS2 yang sangat tipis secara atom pada area hingga beberapa puluh sentimeter persegi,” jelas Andrey Markeev, kepala Laboratorium Deposisi Lapisan Atom MIPT.

Para peneliti menentukan bahwa struktur film bergantung pada suhu sulfurisasi. Film yang disulfurisasi pada suhu 500°C mengandung butiran kristal, masing-masing berukuran beberapa nanometer, tertanam dalam matriks amorf. Pada suhu 700°C, kristalit ini berukuran sekitar 10-20 nm dan lapisan S-Mo-S berorientasi tegak lurus terhadap permukaan. Akibatnya, permukaannya mempunyai banyak ikatan yang menjuntai. Struktur seperti ini menunjukkan aktivitas katalitik yang tinggi dalam banyak reaksi, termasuk reaksi evolusi hidrogen. Agar MoS2 dapat digunakan dalam elektronik, lapisan S-Mo-S harus sejajar dengan permukaan, yang dicapai pada suhu sulfurisasi 900-1,000°C. Film yang dihasilkan setipis 1,3 nm, atau dua lapisan molekuler, dan mempunyai area yang signifikan secara komersial (yaitu, cukup besar).

Film MoS2 yang disintesis dalam kondisi optimal dimasukkan ke dalam struktur prototipe semikonduktor dielektrik logam, yang didasarkan pada hafnium oksida feroelektrik dan memodelkan transistor efek medan. Film MoS2 dalam struktur ini berfungsi sebagai saluran semikonduktor. Konduktivitasnya dikontrol dengan mengalihkan arah polarisasi lapisan feroelektrik. Ketika bersentuhan dengan MoS2, material La:(HfO2-ZrO2), yang sebelumnya dikembangkan di laboratorium MIPT, ditemukan memiliki sisa polarisasi sekitar 18 mikrocoulomb per sentimeter persegi. Dengan daya tahan peralihan sebesar 5 juta siklus, saluran ini melampaui rekor dunia sebelumnya yaitu 100.000 siklus untuk saluran silikon.