นักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกสามารถพัฒนาฟิล์มโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์บาง ๆ ที่เป็นอะตอมได้ ซึ่งครอบคลุมพื้นที่หลายสิบตารางเซนติเมตร แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างของวัสดุสามารถแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิการสังเคราะห์ ฟิล์มซึ่งมีความสำคัญต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับที่อุณหภูมิ 900-1,000° องศาเซลเซียส ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Nano Materials

วัสดุสองมิติกำลังดึงดูดความสนใจอย่างมาก เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะอันเนื่องมาจากโครงสร้างและข้อจำกัดทางกลของควอนตัม กลุ่มวัสดุ 2 มิติ ได้แก่ โลหะ กึ่งโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และฉนวน กราฟีน ซึ่งอาจเป็นวัสดุ 2 มิติที่มีชื่อเสียงที่สุด เป็นชั้นเดียวของอะตอมคาร์บอน มีความคล่องตัวในการเคลื่อนย้ายผู้ให้บริการชาร์จสูงสุดที่บันทึกไว้จนถึงปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม กราฟีนไม่มีช่องว่างของแถบความถี่ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน และนั่นเป็นข้อจำกัดในการใช้งาน

ความกว้างที่เหมาะสมของแถบความถี่ในโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MoS2) ต่างจากกราฟีน ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ MoS2 แต่ละชั้นมีโครงสร้างแบบประกบ โดยมีชั้นโมลิบดีนัมบีบอยู่ระหว่างอะตอมกำมะถันสองชั้น โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างสองมิติของ van der Waals ซึ่งรวมวัสดุ 2 มิติที่แตกต่างกันเข้าด้วยกัน แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่ดีเช่นกัน ในความเป็นจริง พวกมันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับพลังงานและการเร่งปฏิกิริยา การสังเคราะห์โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ขนาดเวเฟอร์ (พื้นที่ขนาดใหญ่) แสดงให้เห็นถึงศักยภาพสำหรับความก้าวหน้าที่ก้าวล้ำในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่โปร่งใสและยืดหยุ่น การสื่อสารด้วยแสงสำหรับคอมพิวเตอร์รุ่นต่อไป เช่นเดียวกับในสาขาอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ

“วิธีที่เราคิดค้นขึ้นมาเพื่อสังเคราะห์ MoS2 นั้นเกี่ยวข้องกับสองขั้นตอน ขั้นแรก ฟิล์มของ MoO3 ถูกปลูกโดยใช้เทคนิคการสะสมชั้นอะตอมมิก ซึ่งให้ความหนาของชั้นอะตอมที่แม่นยำ และช่วยให้การเคลือบเป็นไปตามข้อกำหนดของพื้นผิวทั้งหมด และสามารถหา MoO3 ได้อย่างง่ายดายบนเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 300 มิลลิเมตร จากนั้น ฟิล์มจะถูกอบด้วยความร้อนในไอกำมะถัน เป็นผลให้อะตอมออกซิเจนใน MoO3 ถูกแทนที่ด้วยอะตอมกำมะถัน และ MoS2 ถูกสร้างขึ้น เราได้เรียนรู้ที่จะปลูกฟิล์ม MoS2 แบบบางที่มีอะตอมมิกบนพื้นที่หลายสิบตารางเซนติเมตร” Andrey Markeev หัวหน้าห้องปฏิบัติการ Atomic Layer Deposition Lab ของ MIPT อธิบาย

นักวิจัยระบุว่าโครงสร้างของฟิล์มขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของซัลเฟอร์ไรเซชัน ฟิล์มที่มีซัลเฟอร์ที่อุณหภูมิ 500°C ประกอบด้วยเม็ดผลึก โดยแต่ละเม็ดมีขนาดไม่กี่นาโนเมตร และฝังอยู่ในเมทริกซ์อสัณฐาน ที่อุณหภูมิ 700°C ผลึกเหล่านี้จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-20 นาโนเมตร และชั้น S-Mo-S จะตั้งฉากกับพื้นผิว ส่งผลให้พื้นผิวมีพันธะห้อยต่องแต่งอยู่มากมาย โครงสร้างดังกล่าวแสดงฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาสูงในปฏิกิริยาหลายอย่าง รวมถึงปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน เพื่อให้ MoS2 ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ชั้น S-Mo-S จะต้องขนานกับพื้นผิว ซึ่งทำได้ที่อุณหภูมิซัลเฟอร์ไดเซชันที่ 900-1,000°С ฟิล์มที่ได้จะบางเพียง 1.3 นาโนเมตรหรือสองชั้นโมเลกุล และมีพื้นที่ที่มีนัยสำคัญในเชิงพาณิชย์ (เช่น มีขนาดใหญ่เพียงพอ)

ฟิล์ม MoS2 ที่สังเคราะห์ขึ้นภายใต้สภาวะที่เหมาะสมได้ถูกนำมาใช้ในโครงสร้างต้นแบบของโลหะ-ไดอิเล็กทริก-เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้เฟอร์โรอิเล็กทริกแฮฟเนียมออกไซด์และจำลองทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก ฟิล์ม MoS2 ในโครงสร้างเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นช่องทางเซมิคอนดักเตอร์ การนำไฟฟ้าถูกควบคุมโดยการสลับทิศทางโพลาไรเซชันของชั้นเฟอร์โรอิเล็กทริก เมื่อสัมผัสกับ MoS2 วัสดุ La:(HfO2-ZrO2) ซึ่งได้รับการพัฒนาก่อนหน้านี้ในห้องปฏิบัติการ MIPT พบว่ามีโพลาไรซ์ตกค้างประมาณ 18 ไมโครคูลอมบ์ต่อตารางเซนติเมตร ด้วยความทนทานในการสลับ 5 ล้านรอบ ทำให้สามารถทำลายสถิติโลกก่อนหน้านี้ที่ 100,000 รอบสำหรับช่องสัญญาณซิลิคอน