Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou conseguiram desenvolver filmes atomicamente finos de dissulfeto de molibdênio, abrangendo várias dezenas de centímetros quadrados. Foi demonstrado que a estrutura do material pode ser modificada variando a temperatura de síntese. Os filmes, importantes para a eletrônica e a optoeletrônica, foram obtidos entre 900 e 1.000° Celsius. As descobertas foram publicadas na revista ACS Applied Nano Materials.

Os materiais bidimensionais estão atraindo considerável interesse devido às suas propriedades únicas decorrentes de sua estrutura e restrições da mecânica quântica. A família de materiais 2-D inclui metais, semimetais, semicondutores e isolantes. O grafeno, que talvez seja o material 2-D mais famoso, é uma monocamada de átomos de carbono. Possui a maior mobilidade de portadores de carga registrada até o momento. No entanto, o grafeno não possui gap em condições padrão, o que limita suas aplicações.

Ao contrário do grafeno, a largura ideal do bandgap no dissulfeto de molibdênio (MoS2) o torna adequado para uso em dispositivos eletrônicos. Cada camada de MoS2 possui uma estrutura em sanduíche, com uma camada de molibdênio espremida entre duas camadas de átomos de enxofre. As heteroestruturas bidimensionais de van der Waals, que combinam diferentes materiais 2-D, também são muito promissoras. Na verdade, eles já são amplamente utilizados em aplicações relacionadas à energia e à catálise. A síntese em escala de wafer (grande área) de dissulfeto de molibdênio 2-D mostra o potencial para avanços revolucionários na criação de dispositivos eletrônicos transparentes e flexíveis, comunicação óptica para computadores de próxima geração, bem como em outros campos da eletrônica e optoeletrônica.

“O método que criamos para sintetizar o MoS2 envolve duas etapas. Primeiro, um filme de MoO3 é cultivado usando a técnica de deposição de camada atômica, que oferece espessura precisa da camada atômica e permite o revestimento isolante de todas as superfícies. E o MoO3 pode ser facilmente obtido em wafers de até 300 milímetros de diâmetro. Em seguida, o filme é tratado termicamente com vapor de enxofre. Como resultado, os átomos de oxigênio no MoO3 são substituídos por átomos de enxofre e o MoS2 é formado. Já aprendemos a cultivar filmes MoS2 atomicamente finos em uma área de até várias dezenas de centímetros quadrados”, explica Andrey Markeev, chefe do Laboratório de Deposição de Camada Atômica do MIPT.

Os pesquisadores determinaram que a estrutura do filme depende da temperatura de sulfurização. Os filmes sulfurados a 500°C contêm grãos cristalinos, de alguns nanômetros cada, embutidos em uma matriz amorfa. A 700°С, esses cristalitos têm cerca de 10-20 nm de diâmetro e as camadas S-Mo-S são orientadas perpendicularmente à superfície. Como resultado, a superfície apresenta numerosas ligações pendentes. Tal estrutura demonstra alta atividade catalítica em muitas reações, incluindo a reação de evolução de hidrogênio. Para que o MoS2 seja usado na eletrônica, as camadas S-Mo-S devem estar paralelas à superfície, o que é alcançado em temperaturas de sulfurização de 900-1.000°С. Os filmes resultantes são tão finos quanto 1,3 nm, ou duas camadas moleculares, e possuem uma área comercialmente significativa (ou seja, grande o suficiente).

Os filmes MoS2 sintetizados em condições ideais foram introduzidos em estruturas protótipo de metal-dielétrico-semicondutor, que são baseadas em óxido ferroelétrico de háfnio e modelam um transistor de efeito de campo. O filme MoS2 nessas estruturas serviu como canal semicondutor. Sua condutividade foi controlada mudando a direção de polarização da camada ferroelétrica. Quando em contato com MoS2, descobriu-se que o material La:(HfO2-ZrO2), que foi desenvolvido anteriormente no laboratório MIPT, tinha uma polarização residual de aproximadamente 18 microcoulombs por centímetro quadrado. Com uma resistência de comutação de 5 milhões de ciclos, superou o recorde mundial anterior de 100.000 ciclos para canais de silício.