Naukowcom z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii udało się wyhodować atomowo cienkie warstwy dwusiarczku molibdenu o powierzchni kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych. Wykazano, że strukturę materiału można modyfikować poprzez zmianę temperatury syntezy. Folie ważne dla elektroniki i optoelektroniki otrzymywano w temperaturze 900-1000°C. Wyniki opublikowano w czasopiśmie ACS Applied Nano Materials.

Materiały dwuwymiarowe cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na swoje unikalne właściwości, wynikające z ich struktury i ograniczeń mechaniki kwantowej. Rodzina materiałów 2-D obejmuje metale, półmetale, półprzewodniki i izolatory. Grafen, który jest prawdopodobnie najbardziej znanym materiałem 2-D, jest monowarstwą atomów węgla. Ma najwyższą zarejestrowaną dotychczas ruchliwość nośników ładunku. Jednak w standardowych warunkach grafen nie ma pasma wzbronionego, co ogranicza jego zastosowanie.

W przeciwieństwie do grafenu optymalna szerokość pasma wzbronionego w dwusiarczku molibdenu (MoS2) sprawia, że ​​nadaje się on do stosowania w urządzeniach elektronicznych. Każda warstwa MoS2 ma strukturę kanapkową, z warstwą molibdenu wciśniętą pomiędzy dwie warstwy atomów siarki. Bardzo obiecujące są również dwuwymiarowe heterostruktury van der Waalsa, które łączą różne materiały 2-D. W rzeczywistości są już szeroko stosowane w zastosowaniach związanych z energią i katalizą. Waflowa (wielkopowierzchniowa) synteza 2-D dwusiarczku molibdenu pokazuje potencjał przełomowego postępu w tworzeniu przezroczystych i elastycznych urządzeń elektronicznych, komunikacji optycznej dla komputerów nowej generacji, a także w innych dziedzinach elektroniki i optoelektroniki.

„Metoda syntezy MoS2, którą opracowaliśmy, obejmuje dwa etapy. Najpierw hoduje się warstwę MoO3 przy użyciu techniki osadzania warstwy atomowej, która zapewnia precyzyjną grubość warstwy atomowej i umożliwia pokrycie wszystkich powierzchni. MoO3 można łatwo uzyskać z płytek o średnicy do 300 milimetrów. Następnie folię poddaje się obróbce cieplnej w parach siarki. W rezultacie atomy tlenu w MoO3 zostają zastąpione atomami siarki i powstaje MoS2. Nauczyliśmy się już hodować cienkie warstwy MoS2 na powierzchni kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych” – wyjaśnia Andrey Markeev, kierownik laboratorium osadzania warstw atomowych w MIPT.

Naukowcy ustalili, że struktura filmu zależy od temperatury zasiarczenia. Folie siarkowane w temperaturze 500°С zawierają ziarna krystaliczne o wielkości kilku nanometrów każde, osadzone w amorficznej matrycy. W temperaturze 700°С krystality te mają średnicę około 10-20 nm, a warstwy S-Mo-S są zorientowane prostopadle do powierzchni. W rezultacie na powierzchni znajdują się liczne zwisające wiązania. Taka struktura wykazuje wysoką aktywność katalityczną w wielu reakcjach, w tym w reakcji wydzielania wodoru. Aby MoS2 mógł zostać zastosowany w elektronice, warstwy S-Mo-S muszą być równoległe do powierzchni, co osiąga się przy temperaturach siarkowania 900-1000°С. Powstałe folie mają grubość zaledwie 1,3 nm, czyli dwie warstwy molekularne, i mają komercyjnie znaczącą (tj. wystarczająco dużą) powierzchnię.

Zsyntetyzowane w optymalnych warunkach warstwy MoS2 wprowadzono do prototypowych struktur metal-dielektryk-półprzewodnik, opartych na ferroelektrycznym tlenku hafnu i modelujących tranzystor polowy. Warstwa MoS2 w tych strukturach pełniła rolę kanału półprzewodnikowego. Kontrolowano jego przewodność poprzez zmianę kierunku polaryzacji warstwy ferroelektrycznej. W kontakcie z MoS2 stwierdzono, że materiał La:(HfO2-ZrO2), który został wcześniej opracowany w laboratorium MIPT, ma resztkową polaryzację wynoszącą około 18 mikrokulombów na centymetr kwadratowy. Dzięki wytrzymałości przełączania wynoszącej 5 milionów cykli pobił poprzedni rekord świata wynoszący 100 000 cykli dla kanałów krzemowych.