მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიის ინსტიტუტის მკვლევარებმა შეძლეს მოლიბდენის დისულფიდის ატომურად თხელი ფენების გაშენება, რომელიც მოიცავს რამდენიმე ათეულ სანტიმეტრ კვადრატს. დადასტურდა, რომ მასალის სტრუქტურა შეიძლება შეიცვალოს სინთეზის ტემპერატურის ცვალებადობით. ფილმები, რომლებიც მნიშვნელოვანია ელექტრონიკისა და ოპტოელექტრონიკისთვის, მიღებულ იქნა 900-1000° ცელსიუსზე. დასკვნები გამოქვეყნდა ჟურნალში ACS Applied Nano Materials.

ორგანზომილებიანი მასალები დიდ ინტერესს იპყრობს მათი სტრუქტურისა და კვანტური მექანიკური შეზღუდვებიდან გამომდინარე მათი უნიკალური თვისებების გამო. 2-D მასალების ოჯახი მოიცავს ლითონებს, ნახევარმეტალებს, ნახევარგამტარებს და იზოლატორებს. გრაფენი, რომელიც ალბათ ყველაზე ცნობილი 2-D მასალაა, ნახშირბადის ატომების მონოფენია. მას აქვს ყველაზე მაღალი მუხტის გადამზიდავი დაფიქსირებული დღემდე. თუმცა, გრაფენს არ აქვს ზოლის უფსკრული სტანდარტულ პირობებში და ეს ზღუდავს მის გამოყენებას.

გრაფენისგან განსხვავებით, მოლიბდენის დისულფიდში (MoS2) ზოლის ოპტიმალური სიგანე ხდის მას ელექტრონულ მოწყობილობებში გამოსაყენებლად. MoS2-ის თითოეულ ფენას აქვს სენდვიჩის სტრუქტურა, მოლიბდენის ფენით გოგირდის ატომების ორ ფენას შორის. ორგანზომილებიანი ვან დერ ვაალის ჰეტეროსტრუქტურები, რომლებიც აერთიანებს სხვადასხვა 2-D მასალებს, ასევე დიდ პერსპექტივას აჩვენებს. სინამდვილეში, ისინი უკვე ფართოდ გამოიყენება ენერგიასთან დაკავშირებულ პროგრამებში და კატალიზში. 2-D მოლიბდენის დისულფიდის ვაფლის მასშტაბის (დიდი ფართობის) სინთეზი აჩვენებს გარღვევის პოტენციალს გამჭვირვალე და მოქნილი ელექტრონული მოწყობილობების, ოპტიკური კომუნიკაციის შემდეგი თაობის კომპიუტერებისთვის, ასევე ელექტრონიკისა და ოპტოელექტრონიის სხვა სფეროებში.

„მეთოდი, რომელიც ჩვენ გამოვიმუშავეთ MoS2-ის სინთეზისთვის, მოიცავს ორ საფეხურს. პირველ რიგში, MoO3-ის ფილმი იზრდება ატომური ფენის დეპონირების ტექნიკის გამოყენებით, რომელიც გთავაზობთ ატომური ფენის ზუსტ სისქეს და იძლევა ყველა ზედაპირის კონფორმულ დაფარვას. და MoO3 ადვილად მიიღება 300 მილიმეტრამდე დიამეტრის ვაფლებზე. შემდეგ, ფილმი თერმულად მუშავდება გოგირდის ორთქლში. შედეგად, MoO3-ში ჟანგბადის ატომები იცვლება გოგირდის ატომებით და წარმოიქმნება MoS2. ჩვენ უკვე ვისწავლეთ ატომურად თხელი MoS2 ფილმების გაზრდა რამდენიმე ათეულ კვადრატულ სანტიმეტრამდე ფართობზე“, განმარტავს ანდრეი მარკეევი, MIPT-ის ატომური ფენის დეპონირების ლაბორატორიის ხელმძღვანელი.

მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ფილმის სტრუქტურა დამოკიდებულია გოგირდის ტემპერატურაზე. 500°С-ზე გოგირდირებული ფილმები შეიცავს კრისტალურ მარცვლებს, თითო რამდენიმე ნანომეტრს, ჩაშენებულ ამორფულ მატრიცაში. 700°С-ზე, ეს კრისტალები დაახლოებით 10-20 ნმ დიამეტრისაა და S-Mo-S ფენები ზედაპირზე პერპენდიკულურადაა ორიენტირებული. შედეგად, ზედაპირს აქვს მრავალი ჩამოკიდებული ბმა. ასეთი სტრუქტურა აჩვენებს მაღალ კატალიზურ აქტივობას ბევრ რეაქციაში, მათ შორის წყალბადის ევოლუციის რეაქციაში. იმისათვის, რომ MoS2 გამოიყენებოდეს ელექტრონიკაში, S-Mo-S ფენები უნდა იყოს ზედაპირის პარალელურად, რაც მიიღწევა გოგირდის 900-1000°С ტემპერატურაზე. შედეგად მიღებული ფილმები არის 1,3 ნმ-მდე თხელი, ანუ ორი მოლეკულური ფენა და აქვთ კომერციულად მნიშვნელოვანი (ანუ საკმარისად დიდი) ფართობი.

ოპტიმალურ პირობებში სინთეზირებული MoS2 ფილმები შეტანილი იქნა მეტალო-დიელექტრიკულ-ნახევაგამტარული პროტოტიპის სტრუქტურებში, რომლებიც ეფუძნება ფეროელექტრო ჰაფნიუმის ოქსიდს და მოდელირებენ საველე ეფექტის ტრანზისტორის. MoS2 ფილმი ამ სტრუქტურებში ემსახურებოდა ნახევარგამტარულ არხს. მისი გამტარობა კონტროლდებოდა ფეროელექტრული ფენის პოლარიზაციის მიმართულების გადართვით. MoS2-თან კონტაქტისას, La:(HfO2-ZrO2) მასალას, რომელიც ადრე შეიქმნა MIPT-ის ლაბორატორიაში, აღმოაჩინა ნარჩენი პოლარიზაცია დაახლოებით 18 მიკროკულონი კვადრატულ სანტიმეტრზე. 5 მილიონი ციკლის გადართვის გამძლეობით, მან დაიკავა წინა მსოფლიო რეკორდი, 100,000 ციკლი სილიკონის არხებისთვის.