Výskumníkom z Moskovského inštitútu fyziky a technológie sa podarilo vypestovať atómovo tenké vrstvy sulfidu molybdénového s rozlohou až niekoľko desiatok centimetrov štvorcových. Ukázalo sa, že štruktúra materiálu môže byť modifikovaná zmenou teploty syntézy. Filmy, ktoré sú dôležité pre elektroniku a optoelektroniku, boli získané pri 900-1 000 ° Celzia. Zistenia boli publikované v časopise ACS Applied Nano Materials.

Dvojrozmerné materiály priťahujú značný záujem kvôli svojim jedinečným vlastnostiam vyplývajúcim z ich štruktúry a kvantových mechanických obmedzení. Skupina 2-D materiálov zahŕňa kovy, polokovy, polovodiče a izolátory. Grafén, ktorý je možno najznámejším 2-D materiálom, je monovrstva atómov uhlíka. Má doteraz najvyššiu zaznamenanú mobilitu nosičov poplatkov. Grafén však za štandardných podmienok nemá žiadne pásmo, čo obmedzuje jeho aplikácie.

Na rozdiel od grafénu je optimálna šírka bandgap v disulfide molybdénovom (MoS2) vhodná na použitie v elektronických zariadeniach. Každá vrstva MoS2 má sendvičovú štruktúru s vrstvou molybdénu vtlačenou medzi dve vrstvy atómov síry. Veľkým sľubom sú aj dvojrozmerné van der Waalsove heteroštruktúry, ktoré kombinujú rôzne 2-D materiály. V skutočnosti sa už široko používajú v aplikáciách súvisiacich s energiou a katalýzou. Syntéza 2-D disulfidu molybdénu v doštičkovom meradle (veľkoplošná) ukazuje potenciál pre prelomový pokrok vo vytváraní transparentných a flexibilných elektronických zariadení, optickej komunikácie pre počítače novej generácie, ako aj v iných oblastiach elektroniky a optoelektroniky.

"Metóda, s ktorou sme prišli na syntézu MoS2, zahŕňa dva kroky. Po prvé, film MoO3 sa pestuje pomocou techniky nanášania atómovej vrstvy, ktorá ponúka presnú hrúbku atómovej vrstvy a umožňuje konformné potiahnutie všetkých povrchov. A MoO3 možno ľahko získať na plátkoch s priemerom až 300 milimetrov. Potom sa fólia tepelne spracuje v sírovej pare. V dôsledku toho sú atómy kyslíka v MoO3 nahradené atómami síry a vzniká MoS2. Už sme sa naučili pestovať atómovo tenké MoS2 filmy na ploche až niekoľkých desiatok štvorcových centimetrov,“ vysvetľuje Andrey Markeev, vedúci laboratória na ukladanie atómových vrstiev MIPT.

Výskumníci zistili, že štruktúra filmu závisí od teploty sírenia. Filmy sírené pri 500 °С obsahujú kryštalické zrná, každá s veľkosťou niekoľkých nanometrov, vložené do amorfnej matrice. Pri 700 °C majú tieto kryštály priemer asi 10-20 nm a vrstvy S-Mo-S sú orientované kolmo na povrch. Výsledkom je, že povrch má množstvo visiacich väzieb. Takáto štruktúra vykazuje vysokú katalytickú aktivitu v mnohých reakciách, vrátane reakcie na vývoj vodíka. Pre použitie MoS2 v elektronike musia byť vrstvy S-Mo-S rovnobežné s povrchom, čo sa dosahuje pri teplotách sírenia 900-1000°С. Výsledné filmy sú tenké ako 1,3 nm alebo dve molekulárne vrstvy a majú komerčne významnú (tj dostatočne veľkú) plochu.

Filmy MoS2 syntetizované za optimálnych podmienok boli zavedené do prototypových štruktúr kov-dielektrikum-polovodič, ktoré sú založené na feroelektrickom oxide hafnia a modelujú tranzistor s efektom poľa. Film MoS2 v týchto štruktúrach slúžil ako polovodičový kanál. Jeho vodivosť bola riadená prepínaním smeru polarizácie feroelektrickej vrstvy. Pri kontakte s MoS2 sa zistilo, že materiál La: (HfO2-ZrO2), ktorý bol predtým vyvinutý v laboratóriu MIPT, má zvyškovú polarizáciu približne 18 mikrocoulombov na štvorcový centimeter. S výdržou spínania 5 miliónov cyklov prekonal predchádzajúci svetový rekord 100 000 cyklov pre kremíkové kanály.