Onderzoekers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie zijn erin geslaagd atomair dunne films van molybdeendisulfide te laten groeien met een oppervlakte van enkele tientallen vierkante centimeters. Er werd aangetoond dat de structuur van het materiaal kan worden gewijzigd door de synthesetemperatuur te variëren. De films, die belangrijk zijn voor de elektronica en opto-elektronica, werden verkregen bij 900-1.000° Celsius. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Nano Materials.

Tweedimensionale materialen trekken aanzienlijke belangstelling vanwege hun unieke eigenschappen die voortkomen uit hun structuur en kwantummechanische beperkingen. De familie van 2D-materialen omvat metalen, halfmetalen, halfgeleiders en isolatoren. Grafeen, misschien wel het bekendste 2D-materiaal, is een monolaag van koolstofatomen. Het heeft de hoogste mobiliteit van ladingdragers die tot nu toe is geregistreerd. Grafeen heeft onder standaardomstandigheden echter geen bandafstand, en dat beperkt de toepassingen ervan.

In tegenstelling tot grafeen maakt de optimale breedte van de bandafstand in molybdeendisulfide (MoS2) het geschikt voor gebruik in elektronische apparaten. Elke MoS2-laag heeft een sandwichstructuur, waarbij een laag molybdeen tussen twee lagen zwavelatomen is geperst. Tweedimensionale Van der Waals-heterostructuren, die verschillende 2D-materialen combineren, zijn ook veelbelovend. In feite worden ze al veel gebruikt in energiegerelateerde toepassingen en katalyse. Synthese van 2D-molybdeendisulfide op waferschaal (groot oppervlak) toont het potentieel aan voor baanbrekende vooruitgang bij het creëren van transparante en flexibele elektronische apparaten, optische communicatie voor computers van de volgende generatie, maar ook op andere gebieden van de elektronica en opto-elektronica.

“De methode die we hebben bedacht om MoS2 te synthetiseren bestaat uit twee stappen. Eerst wordt een film van MoO3 gegroeid met behulp van de atomaire laagdepositietechniek, die een nauwkeurige atomaire laagdikte biedt en een conforme coating van alle oppervlakken mogelijk maakt. En MoO3 kan eenvoudig worden verkregen op wafers met een diameter tot 300 millimeter. Vervolgens wordt de film met warmte behandeld in zwaveldamp. Als gevolg hiervan worden de zuurstofatomen in MoO3 vervangen door zwavelatomen en wordt MoS2 gevormd. We hebben al geleerd om atomair dunne MoS2-films te laten groeien op een oppervlak van enkele tientallen vierkante centimeters”, legt Andrey Markeev uit, hoofd van het Atomic Layer Deposition Lab van MIPT.

De onderzoekers stelden vast dat de structuur van de film afhangt van de zwavelingstemperatuur. De bij 500°C gezwavelde films bevatten kristallijne korrels, elk enkele nanometers, ingebed in een amorfe matrix. Bij 700°С hebben deze kristallieten een doorsnede van ongeveer 10-20 nm en zijn de S-Mo-S-lagen loodrecht op het oppervlak georiënteerd. Als gevolg hiervan heeft het oppervlak talrijke bungelende bindingen. Een dergelijke structuur vertoont een hoge katalytische activiteit in veel reacties, waaronder de waterstofontwikkelingsreactie. Om MoS2 in de elektronica te kunnen gebruiken, moeten de S-Mo-S-lagen evenwijdig aan het oppervlak liggen, wat wordt bereikt bij zwavelisatietemperaturen van 900-1.000 °С. De resulterende films zijn zo dun als 1,3 nm, of twee moleculaire lagen, en hebben een commercieel significant (dwz groot genoeg) oppervlak.

De onder optimale omstandigheden gesynthetiseerde MoS2-films werden geïntroduceerd in prototypestructuren van metaal-diëlektrische halfgeleiders, die zijn gebaseerd op ferro-elektrisch hafniumoxide en een veldeffecttransistor modelleren. De MoS2-film in deze structuren diende als halfgeleiderkanaal. De geleidbaarheid ervan werd geregeld door de polarisatierichting van de ferro-elektrische laag te veranderen. Bij contact met MoS2 bleek het La:(HfO2-ZrO2)-materiaal, dat eerder in het MIPT-lab was ontwikkeld, een restpolarisatie te hebben van ongeveer 18 microcoulomb per vierkante centimeter. Met een schakelduur van 5 miljoen cycli overtrof het het vorige wereldrecord van 100.000 cycli voor siliciumkanalen.