Forskere fra Moskva-instituttet for fysikk og teknologi har klart å dyrke atomtynne filmer av molybdendisulfid som strekker seg opp til flere titalls kvadratcentimeter. Det ble demonstrert at materialets struktur kan modifiseres ved å variere syntesetemperaturen. Filmene, som er viktige for elektronikk og optoelektronikk, ble oppnådd ved 900-1000° Celsius. Funnene ble publisert i tidsskriftet ACS Applied Nano Materials.

Todimensjonale materialer tiltrekker seg betydelig interesse på grunn av deres unike egenskaper som stammer fra deres struktur og kvantemekaniske restriksjoner. Familien av 2D-materialer inkluderer metaller, halvmetaller, halvledere og isolatorer. Grafen, som kanskje er det mest kjente 2D-materialet, er et monolag av karbonatomer. Den har den høyeste mobiliteten fra ladebæreren som er registrert til dags dato. Imidlertid har grafen ingen båndgap under standardforhold, og det begrenser bruken.

I motsetning til grafen, gjør den optimale bredden på båndgapet i molybdendisulfid (MoS2) det egnet for bruk i elektroniske enheter. Hvert MoS2-lag har en sandwichstruktur, med et lag av molybden klemt mellom to lag med svovelatomer. Todimensjonale van der Waals heterostrukturer, som kombinerer forskjellige 2D-materialer, er også lovende. Faktisk er de allerede mye brukt i energirelaterte applikasjoner og katalyse. Wafer-skala (stort område) syntese av 2-D molybdendisulfid viser potensialet for banebrytende fremskritt i etableringen av transparente og fleksible elektroniske enheter, optisk kommunikasjon for neste generasjons datamaskiner, så vel som innen andre felt av elektronikk og optoelektronikk.

"Metoden vi kom opp med for å syntetisere MoS2 involverer to trinn. Først dyrkes en film av MoO3 ved bruk av atomlagsavsetningsteknikken, som gir presis atomlagtykkelse og tillater konform belegg av alle overflater. Og MoO3 kan enkelt fås på wafere på opptil 300 millimeter i diameter. Deretter varmebehandles filmen i svoveldamp. Som et resultat blir oksygenatomene i MoO3 erstattet av svovelatomer, og MoS2 dannes. Vi har allerede lært å dyrke atomtynne MoS2-filmer på et område på opptil flere titalls kvadratcentimeter,” forklarer Andrey Markeev, leder av MIPTs Atomic Layer Deposition Lab.

Forskerne slo fast at strukturen til filmen avhenger av svoveltemperaturen. Filmene sulfurisert ved 500 ° С inneholder krystallinske korn, noen få nanometer hver, innebygd i en amorf matrise. Ved 700 ° С er disse krystallittene omtrent 10-20 nm på tvers, og S-Mo-S-lagene er orientert vinkelrett på overflaten. Som et resultat har overflaten mange dinglende bindinger. En slik struktur viser høy katalytisk aktivitet i mange reaksjoner, inkludert hydrogenutviklingsreaksjonen. For at MoS2 skal brukes i elektronikk, må S-Mo-S-lagene være parallelle med overflaten, noe som oppnås ved sulfuriseringstemperaturer på 900-1000°С. De resulterende filmene er så tynne som 1,3 nm, eller to molekylære lag, og har et kommersielt signifikant (dvs. stort nok) område.

MoS2-filmene syntetisert under optimale forhold ble introdusert i metall-dielektrisk-halvlederprototypestrukturer, som er basert på ferroelektrisk hafniumoksid og modellerer en felteffekttransistor. MoS2-filmen i disse strukturene fungerte som en halvlederkanal. Dens ledningsevne ble kontrollert ved å bytte polarisasjonsretningen til det ferroelektriske laget. Ved kontakt med MoS2 ble La:(HfO2-ZrO2)-materialet, som tidligere ble utviklet i MIPT-laboratoriet, funnet å ha en gjenværende polarisering på omtrent 18 mikrocoulombs per kvadratcentimeter. Med en bytteutholdenhet på 5 millioner sykluser toppet den den tidligere verdensrekorden på 100 000 sykluser for silisiumkanaler.