Penyelidik dari Institut Fizik dan Teknologi Moscow telah berjaya mengembangkan filem nipis atom molibdenum disulfida yang merentangi sehingga beberapa puluh sentimeter persegi. Telah ditunjukkan bahawa struktur bahan boleh diubah suai dengan mengubah suhu sintesis. Filem, yang penting kepada elektronik dan optoelektronik, diperoleh pada 900-1,000° Celsius. Penemuan itu diterbitkan dalam jurnal ACS Applied Nano Materials.

Bahan dua dimensi menarik minat yang besar kerana sifat uniknya yang berpunca daripada struktur dan sekatan mekanikal kuantumnya. Keluarga bahan 2-D termasuk logam, semilogam, semikonduktor dan penebat. Graphene, yang mungkin merupakan bahan 2-D yang paling terkenal, ialah satu lapisan atom karbon. Ia mempunyai mobiliti pembawa cas tertinggi yang direkodkan setakat ini. Walau bagaimanapun, graphene tidak mempunyai jurang jalur di bawah keadaan standard, dan itu mengehadkan aplikasinya.

Tidak seperti graphene, lebar optimum celah jalur dalam molibdenum disulfida (MoS2) menjadikannya sesuai untuk digunakan dalam peranti elektronik. Setiap lapisan MoS2 mempunyai struktur sandwic, dengan lapisan molibdenum yang diperah di antara dua lapisan atom sulfur. Heterostruktur van der Waals dua dimensi, yang menggabungkan bahan 2-D yang berbeza, juga menunjukkan janji yang hebat. Malah, ia telah digunakan secara meluas dalam aplikasi berkaitan tenaga dan pemangkinan. Sintesis molibdenum disulfida 2-D skala wafer (kawasan besar) menunjukkan potensi kemajuan terobosan dalam penciptaan peranti elektronik yang telus dan fleksibel, komunikasi optik untuk komputer generasi akan datang, serta dalam bidang elektronik dan optoelektronik yang lain.

"Kaedah yang kami hasilkan untuk mensintesis MoS2 melibatkan dua langkah. Pertama, filem MoO3 ditanam menggunakan teknik pemendapan lapisan atom, yang menawarkan ketebalan lapisan atom yang tepat dan membenarkan salutan konformal semua permukaan. Dan MoO3 boleh didapati dengan mudah pada wafer dengan diameter sehingga 300 milimeter. Seterusnya, filem itu dirawat haba dalam wap sulfur. Akibatnya, atom oksigen dalam MoO3 digantikan oleh atom sulfur, dan MoS2 terbentuk. Kami telah pun belajar untuk mengembangkan filem MoS2 nipis secara atom pada keluasan sehingga beberapa puluh sentimeter persegi,” jelas Andrey Markeev, ketua Makmal Pemendapan Lapisan Atom MIPT.

Para penyelidik menentukan bahawa struktur filem bergantung pada suhu sulfurisasi. Filem bersulfur pada 500°C mengandungi butiran kristal, beberapa nanometer setiap satu, tertanam dalam matriks amorfus. Pada 700°C, kristalit ini adalah kira-kira 10-20 nm merentasi dan lapisan S-Mo-S berorientasikan serenjang dengan permukaan. Akibatnya, permukaan mempunyai banyak ikatan berjuntai. Struktur sedemikian menunjukkan aktiviti pemangkin yang tinggi dalam banyak tindak balas, termasuk tindak balas evolusi hidrogen. Untuk MoS2 digunakan dalam elektronik, lapisan S-Mo-S hendaklah selari dengan permukaan, yang dicapai pada suhu sulfurisasi 900-1,000°C. Filem yang terhasil adalah setipis 1.3 nm, atau dua lapisan molekul, dan mempunyai kawasan yang signifikan secara komersial (iaitu, cukup besar).

Filem MoS2 yang disintesis dalam keadaan optimum telah diperkenalkan ke dalam struktur prototaip logam-dielektrik-semikonduktor, yang berasaskan ferroelektrik hafnium oksida dan memodelkan transistor kesan medan. Filem MoS2 dalam struktur ini berfungsi sebagai saluran semikonduktor. Kekonduksiannya dikawal dengan menukar arah polarisasi lapisan ferroelektrik. Apabila bersentuhan dengan MoS2, bahan La:(HfO2-ZrO2), yang telah dibangunkan sebelum ini di makmal MIPT, didapati mempunyai polarisasi sisa kira-kira 18 mikrocoulomb setiap sentimeter persegi. Dengan daya tahan pensuisan sebanyak 5 juta kitaran, ia mendahului rekod dunia sebelumnya sebanyak 100,000 kitaran untuk saluran silikon.