Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, onlarca santimetre kareye kadar uzanan atomik olarak ince molibden disülfit filmleri büyütmeyi başardılar. Sentez sıcaklığı değiştirilerek malzemenin yapısının değiştirilebileceği gösterilmiştir. Elektronik ve optoelektronik açısından önemli olan filmler 900-1.000° Celsius'ta elde edildi. Bulgular ACS Applied Nano Materials dergisinde yayınlandı.

İki boyutlu malzemeler, yapılarından kaynaklanan benzersiz özellikleri ve kuantum mekaniği kısıtlamaları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. 2 boyutlu malzeme ailesi metalleri, yarı metalleri, yarı iletkenleri ve yalıtkanları içerir. Belki de en ünlü 2 boyutlu malzeme olan grafen, karbon atomlarından oluşan tek katmanlı bir yapıdır. Bugüne kadar kaydedilen en yüksek yük taşıyıcı hareketliliğine sahiptir. Bununla birlikte, grafenin standart koşullar altında bant aralığı yoktur ve bu da uygulamalarını sınırlamaktadır.

Grafenin aksine, molibden disülfitteki (MoS2) bant aralığının optimal genişliği onu elektronik cihazlarda kullanıma uygun hale getirir. Her MoS2 katmanı, iki kükürt atomu katmanı arasına sıkıştırılmış bir molibden katmanından oluşan bir sandviç yapıya sahiptir. Farklı 2 boyutlu malzemeleri birleştiren iki boyutlu van der Waals heteroyapıları da büyük umut vaat ediyor. Aslında enerjiyle ilgili uygulamalarda ve katalizde zaten yaygın olarak kullanılıyorlar. 2-D molibden disülfitin levha ölçeğinde (geniş alan) sentezi, şeffaf ve esnek elektronik cihazların oluşturulmasında, yeni nesil bilgisayarlar için optik iletişimin yanı sıra elektronik ve optoelektroniklerin diğer alanlarında çığır açıcı ilerlemeler potansiyeli olduğunu göstermektedir.

"MoS2'yi sentezlemek için bulduğumuz yöntem iki adımdan oluşuyor. İlk olarak, hassas atomik katman kalınlığı sunan ve tüm yüzeylerin uyumlu bir şekilde kaplanmasına olanak tanıyan atomik katman biriktirme tekniği kullanılarak bir MoO3 filmi büyütülür. MoO3 ise çapı 300 milimetreye kadar olan levhalardan kolaylıkla elde edilebiliyor. Daha sonra film kükürt buharında ısıl işleme tabi tutulur. Bunun sonucunda MoO3'teki oksijen atomlarının yerini kükürt atomları alır ve MoS2 oluşur. MIPT'nin Atomik Katman Biriktirme Laboratuvarı başkanı Andrey Markeev, "Onlarca santimetre kareye kadar bir alanda atomik olarak ince MoS2 filmleri yetiştirmeyi zaten öğrendik" diye açıklıyor.

Araştırmacılar filmin yapısının sülfürizasyon sıcaklığına bağlı olduğunu belirledi. 500°С'de sülfürlenen filmler, amorf bir matris içine gömülmüş, her biri birkaç nanometre olan kristal taneler içerir. 700°С'de bu kristalitler yaklaşık 10-20 nm çapındadır ve S-Mo-S katmanları yüzeye dik olarak yönlendirilir. Sonuç olarak yüzeyde çok sayıda sarkan bağ bulunur. Bu yapı, hidrojen evrimi reaksiyonu da dahil olmak üzere birçok reaksiyonda yüksek katalitik aktivite göstermektedir. MoS2'nin elektronikte kullanılması için S-Mo-S katmanlarının yüzeye paralel olması gerekir; bu da 900-1.000°С sülfürizasyon sıcaklıklarında elde edilir. Ortaya çıkan filmler 1,3 nm kadar ince veya iki moleküler katmandır ve ticari olarak önemli (yani yeterince büyük) bir alana sahiptir.

Optimum koşullar altında sentezlenen MoS2 filmleri, ferroelektrik hafniyum oksite dayanan ve alan etkili bir transistörü modelleyen metal-dielektrik-yarı iletken prototip yapılarına yerleştirildi. Bu yapılardaki MoS2 filmi yarı iletken kanal görevi gördü. İletkenliği, ferroelektrik katmanın polarizasyon yönü değiştirilerek kontrol edildi. Daha önce MIPT laboratuvarında geliştirilen La:(HfO2-ZrO2) malzemesinin MoS2 ile temas ettiğinde santimetre kare başına yaklaşık 18 mikrocoulomb'luk bir artık polarizasyona sahip olduğu bulundu. 5 milyon döngülük anahtarlama dayanıklılığıyla, silikon kanallar için önceki 100.000 döngülük dünya rekorunu geride bıraktı.