Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik har lyckats odla atomärt tunna filmer av molybdendisulfid som sträcker sig upp till flera tiotals kvadratcentimeter. Det visades att materialets struktur kan modifieras genom att variera syntestemperaturen. Filmerna, som är viktiga för elektronik och optoelektronik, erhölls vid 900-1 000° Celsius. Resultaten publicerades i tidskriften ACS Applied Nano Materials.

Tvådimensionella material väcker stort intresse på grund av deras unika egenskaper som härrör från deras struktur och kvantmekaniska begränsningar. Familjen av 2D-material inkluderar metaller, halvmetaller, halvledare och isolatorer. Grafen, som kanske är det mest kända 2D-materialet, är ett monolager av kolatomer. Den har den högsta laddningsoperatörens mobilitet som registrerats hittills. Emellertid har grafen inget bandgap under standardförhållanden, och det begränsar dess tillämpningar.

Till skillnad från grafen gör den optimala bredden på bandgapet i molybdendisulfid (MoS2) den lämplig för användning i elektroniska enheter. Varje MoS2-lager har en sandwichstruktur, med ett lager av molybden klämt mellan två lager av svavelatomer. Tvådimensionella van der Waals heterostrukturer, som kombinerar olika 2-D-material, visar också mycket lovande. Faktum är att de redan används i stor utsträckning i energirelaterade tillämpningar och katalys. Syntes av 2D-molybdendisulfid i waferskala (storarea) visar potentialen för banbrytande framsteg i skapandet av transparenta och flexibla elektroniska enheter, optisk kommunikation för nästa generations datorer, såväl som inom andra områden av elektronik och optoelektronik.

"Metoden vi kom fram till för att syntetisera MoS2 innefattar två steg. Först odlas en film av MoO3 med hjälp av atomskiktsavsättningstekniken, som erbjuder exakt atomskikttjocklek och tillåter konform beläggning av alla ytor. Och MoO3 kan enkelt erhållas på wafers på upp till 300 millimeter i diameter. Därefter värmebehandlas filmen i svavelånga. Som ett resultat ersätts syreatomerna i MoO3 med svavelatomer och MoS2 bildas. Vi har redan lärt oss att odla atomärt tunna MoS2-filmer på en yta på upp till flera tiotals kvadratcentimeter”, förklarar Andrey Markeev, chef för MIPT:s Atomic Layer Deposition Lab.

Forskarna fastställde att filmens struktur beror på sulfuriseringstemperaturen. Filmerna sulfuriserade vid 500°С innehåller kristallina korn, några nanometer vardera, inbäddade i en amorf matris. Vid 700°C är dessa kristalliter cirka 10-20 nm tvärs över och S-Mo-S-skikten är orienterade vinkelrätt mot ytan. Som ett resultat har ytan många dinglande bindningar. Sådan struktur visar hög katalytisk aktivitet i många reaktioner, inklusive väteutvecklingsreaktionen. För att MoS2 ska användas i elektronik måste S-Mo-S-skikten vara parallella med ytan, vilket uppnås vid sulfuriseringstemperaturer på 900-1 000°С. De resulterande filmerna är så tunna som 1,3 nm, eller två molekylära skikt, och har en kommersiellt signifikant (dvs tillräckligt stor) yta.

MoS2-filmerna syntetiserade under optimala förhållanden introducerades i metall-dielektrisk-halvledarprototypstrukturer, som är baserade på ferroelektrisk hafniumoxid och modellerar en fälteffekttransistor. MoS2-filmen i dessa strukturer fungerade som en halvledarkanal. Dess konduktivitet styrdes genom att ändra polarisationsriktningen för det ferroelektriska lagret. Vid kontakt med MoS2 visade sig La:(HfO2-ZrO2)-materialet, som tidigare utvecklats i MIPT-labbet, ha en återstående polarisation på cirka 18 mikrocoulombs per kvadratcentimeter. Med en växlingsuthållighet på 5 miljoner cykler toppade den det tidigare världsrekordet på 100 000 cykler för kiselkanaler.