חוקרים מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה הצליחו לגדל סרטים דקים מבחינה אטומית של מוליבדן דיסולפיד המתפרשים על פני כמה עשרות סנטימטרים רבועים. הוכח שניתן לשנות את מבנה החומר על ידי שינוי טמפרטורת הסינתזה. הסרטים, החשובים לאלקטרוניקה ולאלקטרוניקה אופטו, התקבלו ב-900-1,000 מעלות צלזיוס. הממצאים פורסמו בכתב העת ACS Applied Nano Materials.

חומרים דו מימדיים מושכים עניין רב בשל תכונותיהם הייחודיות הנובעות מהמבנה וההגבלות המכניות הקוונטיות שלהם. משפחת החומרים הדו-ממדיים כוללת מתכות, מתכות למחצה, מוליכים למחצה ומבודדים. גרפן, שהוא אולי החומר הדו-ממדי המפורסם ביותר, הוא חד-שכבה של אטומי פחמן. יש לו את הניידות הגבוהה ביותר של נושאי הטעינה שנרשמה עד כה. עם זאת, לגרפן אין פער פס בתנאים סטנדרטיים, וזה מגביל את היישומים שלו.

בניגוד לגרפן, הרוחב האופטימלי של פער הרצועה במוליבדן דיסולפיד (MoS2) הופך אותו למתאים לשימוש במכשירים אלקטרוניים. לכל שכבת MoS2 יש מבנה סנדוויץ', עם שכבת מוליבדן סחוטה בין שתי שכבות של אטומי גופרית. מבנים הדו-מימדיים של ואן דר ואלס, המשלבים חומרים דו-ממדיים שונים, מראים גם הבטחה גדולה. למעשה, הם כבר נמצאים בשימוש נרחב ביישומים הקשורים לאנרגיה וקטליזה. סינתזה בקנה מידה של רקיק (שטח גדול) של מוליבדן דיסולפיד דו מימדי מראה את הפוטנציאל להתקדמות פורצת דרך ביצירת מכשירים אלקטרוניים שקופים וגמישים, תקשורת אופטית עבור מחשבים מהדור הבא, כמו גם בתחומים אחרים של אלקטרוניקה ואופטואלקטרוניקה.

"השיטה שהמצאנו לסינתזה של MoS2 כוללת שני שלבים. ראשית, סרט של MoO3 גדל באמצעות טכניקת השקת שכבה אטומית, המציעה עובי שכבה אטומית מדויקת ומאפשרת ציפוי קונפורמי של כל המשטחים. וניתן להשיג MoO3 בקלות על פרוסות בקוטר של עד 300 מילימטר. לאחר מכן, הסרט עובר טיפול בחום באדי גופרית. כתוצאה מכך, אטומי החמצן ב-MoO3 מוחלפים באטומי גופרית, ונוצר MoS2. כבר למדנו לגדל סרטי MoS2 דקים מבחינה אטומית על שטח של עד כמה עשרות סנטימטרים רבועים", מסביר אנדריי מרקייב, ראש מעבדת ה-Atomic Layer Deposition של MIPT.

החוקרים קבעו כי מבנה הסרט תלוי בטמפרטורת הגופרית. הסרטים הגופרתיים ב-500 מעלות צלזיוס מכילים גרגירים גבישיים, כמה ננומטרים כל אחד, המוטבעים במטריקס אמורפי. ב-700 מעלות צלזיוס, הגבישים הללו הם ברוחב של כ-10-20 ננומטר ושכבות S-Mo-S מכוונות בניצב לפני השטח. כתוצאה מכך, למשטח יש קשרים משתלשלים רבים. מבנה כזה מפגין פעילות קטליטית גבוהה בתגובות רבות, כולל תגובת התפתחות המימן. כדי להשתמש ב-MoS2 באלקטרוניקה, שכבות S-Mo-S צריכות להיות מקבילות לפני השטח, דבר המושג בטמפרטורות גופרית של 900-1,000 מעלות צלזיוס. הסרטים המתקבלים הם דקים כמו 1.3 ננומטר, או שתי שכבות מולקולריות, ויש להם שטח משמעותי מבחינה מסחרית (כלומר, גדול מספיק).

סרטי ה-MoS2 שסונתזו בתנאים אופטימליים הוכנסו למבני אב-טיפוס מתכת-דיאלקטרי-מוליכים למחצה, המבוססים על תחמוצת הפניום פרו-אלקטרית ומדגמים טרנזיסטור בעל אפקט שדה. סרט MoS2 במבנים אלה שימש כערוץ מוליכים למחצה. מוליכותו נשלטה על ידי החלפת כיוון הקיטוב של השכבה הפרו-אלקטרית. כאשר במגע עם MoS2, החומר La:(HfO2-ZrO2), שפותח מוקדם יותר במעבדת MIPT, נמצא כבעל קיטוב שיורי של כ-18 מיקרוקולומבים לסנטימטר רבוע. עם סיבולת מיתוג של 5 מיליון מחזורים, הוא עלה על שיא העולם הקודם של 100,000 מחזורים עבור ערוצי סיליקון.