I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca sono riusciti a far crescere film atomicamente sottili di disolfuro di molibdeno che si estendono fino a diverse decine di centimetri quadrati. È stato dimostrato che la struttura del materiale può essere modificata variando la temperatura di sintesi. Le pellicole, importanti per l'elettronica e l'optoelettronica, sono state ottenute a 900-1.000° Celsius. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista ACS Applied Nano Materials.

I materiali bidimensionali stanno attirando un notevole interesse a causa delle loro proprietà uniche derivanti dalla loro struttura e dalle restrizioni della meccanica quantistica. La famiglia dei materiali 2D comprende metalli, semimetalli, semiconduttori e isolanti. Il grafene, che è forse il materiale 2-D più famoso, è un monostrato di atomi di carbonio. Ha la più alta mobilità dei portatori di carica registrata fino ad oggi. Tuttavia, il grafene non presenta gap di banda in condizioni standard e ciò ne limita le applicazioni.

A differenza del grafene, l’ampiezza ottimale della banda proibita nel bisolfuro di molibdeno (MoS2) lo rende adatto all’uso nei dispositivi elettronici. Ciascuno strato di MoS2 ha una struttura a sandwich, con uno strato di molibdeno schiacciato tra due strati di atomi di zolfo. Anche le eterostrutture bidimensionali di van der Waals, che combinano diversi materiali 2D, si dimostrano molto promettenti. Infatti, sono già ampiamente utilizzati nelle applicazioni legate all’energia e alla catalisi. La sintesi su scala wafer (ampia area) del disolfuro di molibdeno 2-D mostra il potenziale per progressi rivoluzionari nella creazione di dispositivi elettronici trasparenti e flessibili, comunicazione ottica per computer di prossima generazione, nonché in altri campi dell'elettronica e dell'optoelettronica.

“Il metodo che abbiamo ideato per sintetizzare MoS2 prevede due passaggi. Innanzitutto, un film di MoO3 viene coltivato utilizzando la tecnica di deposizione dello strato atomico, che offre uno spessore preciso dello strato atomico e consente il rivestimento conforme di tutte le superfici. E il MoO3 può essere facilmente ottenuto su wafer fino a 300 millimetri di diametro. Successivamente, il film viene trattato termicamente con vapori di zolfo. Di conseguenza, gli atomi di ossigeno nel MoO3 vengono sostituiti da atomi di zolfo e si forma MoS2. Abbiamo già imparato a coltivare film di MoS2 atomicamente sottili su un'area fino a diverse decine di centimetri quadrati", spiega Andrey Markeev, capo dell'Atomic Layer Deposition Lab del MIPT.

I ricercatori hanno determinato che la struttura del film dipende dalla temperatura di solforazione. I film solforati a 500°С contengono grani cristallini, di pochi nanometri ciascuno, inglobati in una matrice amorfa. A 700°С, questi cristalliti hanno un diametro di circa 10-20 nm e gli strati S-Mo-S sono orientati perpendicolarmente alla superficie. Di conseguenza, la superficie presenta numerosi legami pendenti. Tale struttura dimostra un'elevata attività catalitica in molte reazioni, inclusa la reazione di evoluzione dell'idrogeno. Affinché il MoS2 possa essere utilizzato in elettronica, gli strati S-Mo-S devono essere paralleli alla superficie, il che si ottiene a temperature di solforazione di 900-1.000°С. Le pellicole risultanti sono sottili fino a 1,3 nm, o due strati molecolari, e hanno un'area commercialmente significativa (cioè sufficientemente grande).

I film di MoS2 sintetizzati in condizioni ottimali sono stati introdotti in strutture prototipo di metallo-dielettrico-semiconduttore, basate sull'ossido di afnio ferroelettrico e che modellano un transistor ad effetto di campo. Il film di MoS2 in queste strutture fungeva da canale semiconduttore. La sua conduttività è stata controllata cambiando la direzione di polarizzazione dello strato ferroelettrico. A contatto con MoS2, si è scoperto che il materiale La: (HfO2-ZrO2), precedentemente sviluppato nel laboratorio MIPT, aveva una polarizzazione residua di circa 18 microcoulomb per centimetro quadrato. Con una durata di commutazione di 5 milioni di cicli, ha superato il precedente record mondiale di 100.000 cicli per i canali in silicio.