Cercetătorii de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova au reușit să crească pelicule subțiri atomice de disulfură de molibden care se întind până la câteva zeci de centimetri pătrați. S-a demonstrat că structura materialului poate fi modificată prin variarea temperaturii de sinteză. Filmele, care sunt importante pentru electronică și optoelectronică, au fost obținute la 900-1.000° Celsius. Descoperirile au fost publicate în revista ACS Applied Nano Materials.

Materialele bidimensionale atrag un interes considerabil datorită proprietăților lor unice care decurg din structura lor și restricțiile mecanice cuantice. Familia de materiale 2-D include metale, semimetale, semiconductori și izolatori. Grafenul, care este probabil cel mai faimos material 2-D, este un monostrat de atomi de carbon. Are cea mai mare mobilitate a operatorului de taxare înregistrată până în prezent. Cu toate acestea, grafenul nu are bandă interzisă în condiții standard, iar acest lucru îi limitează aplicațiile.

Spre deosebire de grafen, lățimea optimă a benzii interzise în disulfura de molibden (MoS2) îl face potrivit pentru utilizarea în dispozitive electronice. Fiecare strat de MoS2 are o structură tip sandwich, cu un strat de molibden stors între două straturi de atomi de sulf. Heterostructurile bidimensionale van der Waals, care combină diferite materiale 2-D, sunt de asemenea foarte promițătoare. De fapt, ele sunt deja utilizate pe scară largă în aplicații legate de energie și cataliză. Sinteza la scară mare (pe suprafață mare) a disulfurei de molibden 2-D arată potențialul de progrese inovatoare în crearea de dispozitive electronice transparente și flexibile, comunicații optice pentru calculatoare de generația următoare, precum și în alte domenii ale electronicii și optoelectronicii.

„Metoda cu care am venit pentru a sintetiza MoS2 implică doi pași. În primul rând, o peliculă de MoO3 este crescută folosind tehnica de depunere a stratului atomic, care oferă o grosime precisă a stratului atomic și permite acoperirea conformă a tuturor suprafețelor. Și MoO3 poate fi obținut cu ușurință pe napolitane de până la 300 de milimetri în diametru. Apoi, filmul este tratat termic cu vapori de sulf. Ca urmare, atomii de oxigen din MoO3 sunt înlocuiți cu atomi de sulf și se formează MoS2. Am învățat deja să creștem filme subțiri atomice de MoS2 pe o suprafață de până la câteva zeci de centimetri pătrați”, explică Andrey Markeev, șeful Laboratorului de depunere a stratului atomic al MIPT.

Cercetătorii au stabilit că structura filmului depinde de temperatura de sulfurare. Filmele sulfurate la 500°С conțin granule cristaline, de câțiva nanometri fiecare, înglobate într-o matrice amorfă. La 700°С, aceste cristalite au o lungime de aproximativ 10-20 nm, iar straturile S-Mo-S sunt orientate perpendicular pe suprafață. Drept urmare, suprafața are numeroase legături atârnate. O astfel de structură demonstrează activitate catalitică ridicată în multe reacții, inclusiv reacția de degajare a hidrogenului. Pentru ca MoS2 să fie utilizat în electronică, straturile S-Mo-S trebuie să fie paralele cu suprafața, ceea ce se realizează la temperaturi de sulfurare de 900-1.000°С. Filmele rezultate sunt subțiri de 1,3 nm sau două straturi moleculare și au o zonă semnificativă din punct de vedere comercial (adică suficient de mare).

Filmele de MoS2 sintetizate în condiții optime au fost introduse în structuri prototip metal-dielectric-semiconductor, care se bazează pe oxid de hafniu feroelectric și modelează un tranzistor cu efect de câmp. Pelicula MoS2 din aceste structuri a servit drept canal semiconductor. Conductivitatea sa a fost controlată prin comutarea direcției de polarizare a stratului feroelectric. Când a intrat în contact cu MoS2, materialul La:(HfO2-ZrO2), care a fost dezvoltat anterior în laboratorul MIPT, s-a dovedit a avea o polarizare reziduală de aproximativ 18 microcoulombi pe centimetru pătrat. Cu o rezistență de comutare de 5 milioane de cicluri, a depășit recordul mondial anterior de 100.000 de cicluri pentru canalele de siliciu.