Исследователям из Московского физико-технического института удалось вырастить атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена площадью до нескольких десятков квадратных сантиметров. Показано, что структуру материала можно модифицировать, варьируя температуру синтеза. Пленки, важные для электроники и оптоэлектроники, были получены при температуре 900—1000°С. Результаты были опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.

Двумерные материалы привлекают значительный интерес благодаря своим уникальным свойствам, обусловленным их структурой и квантово-механическими ограничениями. Семейство двумерных материалов включает металлы, полуметаллы, полупроводники и изоляторы. Графен, пожалуй, самый известный двумерный материал, представляет собой монослой атомов углерода. Он имеет самую высокую подвижность носителей заряда, зарегистрированную на сегодняшний день. Однако в стандартных условиях графен не имеет запрещенной зоны, что ограничивает его применение.

В отличие от графена, оптимальная ширина запрещенной зоны дисульфида молибдена (MoS2) делает его пригодным для использования в электронных устройствах. Каждый слой MoS2 имеет сэндвич-структуру, в которой слой молибдена зажат между двумя слоями атомов серы. Большие перспективы также демонстрируют двумерные гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, которые объединяют различные двумерные материалы. Фактически, они уже широко используются в приложениях, связанных с энергетикой и катализом. Пластинный (большой площади) синтез двумерного дисульфида молибдена показывает потенциал прорывных достижений в создании прозрачных и гибких электронных устройств, оптической связи для компьютеров нового поколения, а также в других областях электроники и оптоэлектроники.

«Метод, который мы придумали для синтеза MoS2, включает два этапа. Сначала пленка MoO3 выращивается с использованием метода атомно-слоевого осаждения, который обеспечивает точную толщину атомного слоя и позволяет конформно покрывать все поверхности. А MoO3 легко получить на пластинах диаметром до 300 миллиметров. Далее пленка подвергается термообработке в парах серы. В результате атомы кислорода в MoO3 заменяются атомами серы и образуется MoS2. Мы уже научились выращивать атомно-тонкие пленки MoS2 на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров», — поясняет Андрей Маркеев, заведующий лабораторией атомно-слоевого осаждения МФТИ.

Исследователи определили, что структура пленки зависит от температуры сульфуризации. Пленки, сульфурированные при 500°С, содержат кристаллические зерна размером несколько нанометров каждое, заключенные в аморфную матрицу. При 700°С эти кристаллиты имеют диаметр около 10-20 нм, а слои S-Mo-S ориентированы перпендикулярно поверхности. В результате на поверхности появляется множество оборванных связей. Такая структура демонстрирует высокую каталитическую активность во многих реакциях, в том числе в реакции выделения водорода. Для использования MoS2 в электронике слои S-Mo-S должны быть параллельны поверхности, что достигается при температурах сульфуризации 900-1000°С. Полученные пленки имеют толщину всего 1,3 нм, или два молекулярных слоя, и имеют коммерчески значимую (т.е. достаточно большую) площадь.

Синтезированные в оптимальных условиях пленки MoS2 были внедрены в макетные структуры металл-диэлектрик-полупроводник, созданные на основе сегнетоэлектрика оксида гафния и моделирующие полевой транзистор. Пленка MoS2 в этих структурах выполняла функцию полупроводникового канала. Его проводимость контролировалась переключением направления поляризации сегнетоэлектрического слоя. Установлено, что ранее разработанный в лаборатории МФТИ материал La:(HfO2-ZrO2) при контакте с MoS2 имел остаточную поляризацию примерно 18 микрокулонов на квадратный сантиметр. Благодаря ресурсу переключения в 5 миллионов циклов он побил предыдущий мировой рекорд в 100 000 циклов для кремниевых каналов.