Raziskovalcem z Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo je uspelo vzgojiti atomsko tanke plasti molibdenovega disulfida, ki segajo do nekaj deset kvadratnih centimetrov. Dokazano je bilo, da je strukturo materiala mogoče spreminjati s spreminjanjem temperature sinteze. Filmi, ki so pomembni za elektroniko in optoelektroniko, so bili pridobljeni pri 900-1000 °C. Ugotovitve so bile objavljene v reviji ACS Applied Nano Materials.

Dvodimenzionalni materiali pritegnejo veliko zanimanja zaradi svojih edinstvenih lastnosti, ki izhajajo iz njihove strukture in kvantno mehanskih omejitev. Družina 2-D materialov vključuje kovine, polmetale, polprevodnike in izolatorje. Grafen, ki je morda najbolj znan 2-D material, je monosloj ogljikovih atomov. Ima največjo doslej zabeleženo mobilnost nosilcev naboja. Vendar pa grafen v standardnih pogojih nima pasovne vrzeli, kar omejuje njegovo uporabo.

Za razliko od grafena je zaradi optimalne širine pasovnega pasu v molibdenovem disulfidu (MoS2) primeren za uporabo v elektronskih napravah. Vsaka plast MoS2 ima sendvič strukturo, s plastjo molibdena, stisnjeno med dve plasti atomov žvepla. Veliko obetajo tudi dvodimenzionalne van der Waalsove heterostrukture, ki združujejo različne 2-D materiale. Pravzaprav se že pogosto uporabljajo v aplikacijah in katalizi, povezanih z energijo. Sinteza dvodimenzionalnega molibdenovega disulfida v obsegu rezin (na velikem območju) kaže potencial za prelomni napredek pri ustvarjanju preglednih in prilagodljivih elektronskih naprav, optične komunikacije za računalnike naslednje generacije, pa tudi na drugih področjih elektronike in optoelektronike.

»Metoda, ki smo jo iznašli za sintezo MoS2, vključuje dva koraka. Najprej se goji film MoO3 s tehniko nanašanja atomske plasti, ki ponuja natančno debelino atomske plasti in omogoča konformno prevleko vseh površin. In MoO3 je mogoče zlahka pridobiti na rezinah s premerom do 300 milimetrov. Nato se film toplotno obdela v žveplovih parah. Posledično se atomi kisika v MoO3 nadomestijo z atomi žvepla in nastane MoS2. Naučili smo se že gojiti atomsko tanke filme MoS2 na površini do nekaj deset kvadratnih centimetrov,« pojasnjuje Andrey Markeev, vodja laboratorija za nanašanje atomskih plasti MIPT.

Raziskovalci so ugotovili, da je struktura filma odvisna od temperature žveplanja. Filmi žveplani pri 500°С vsebujejo kristalna zrna, velika po nekaj nanometrov, vdelana v amorfno matrico. Pri 700°C imajo ti kristaliti premer približno 10-20 nm, plasti S-Mo-S pa so usmerjene pravokotno na površino. Zaradi tega ima površina številne viseče vezi. Takšna struktura kaže visoko katalitično aktivnost v številnih reakcijah, vključno z reakcijo razvijanja vodika. Za uporabo MoS2 v elektroniki morajo biti plasti S-Mo-S vzporedne s površino, kar se doseže pri temperaturah žveplanja 900-1000°С. Nastali filmi so tanki kot 1,3 nm ali dve molekularni plasti in imajo komercialno pomembno (tj. dovolj veliko) površino.

Filmi MoS2, sintetizirani pod optimalnimi pogoji, so bili uvedeni v prototipne strukture kovina-dielektrik-polprevodnik, ki temeljijo na feroelektričnem hafnijevem oksidu in modelirajo poljski tranzistor. Film MoS2 v teh strukturah je služil kot polprevodniški kanal. Njegovo prevodnost smo nadzorovali s preklopom smeri polarizacije feroelektrične plasti. Pri stiku z MoS2 je bilo ugotovljeno, da ima material La:(HfO2-ZrO2), ki je bil prej razvit v laboratoriju MIPT, preostalo polarizacijo približno 18 mikrokulonov na kvadratni centimeter. S preklopno vzdržljivostjo 5 milijonov ciklov je presegel prejšnji svetovni rekord 100.000 ciklov za silicijeve kanale.