Дослідникам з Московського фізико-технічного інституту вдалося виростити атомарно тонкі плівки дисульфіду молібдену площею до кількох десятків квадратних сантиметрів. Було продемонстровано, що зміною температури синтезу можна модифікувати структуру матеріалу. Плівки, важливі для електроніки та оптоелектроніки, були отримані при 900-1000° за Цельсієм. Висновки були опубліковані в журналі ACS Applied Nano Materials.

Двовимірні матеріали привертають значний інтерес завдяки своїм унікальним властивостям, що випливають із їх структури та квантово-механічних обмежень. Сімейство 2-D матеріалів включає метали, напівметали, напівпровідники та ізолятори. Графен, який є, мабуть, найвідомішим 2-D матеріалом, являє собою моношар атомів вуглецю. Він має найвищу рухливість носіїв заряду, зафіксовану на сьогоднішній день. Однак графен не має забороненої зони за стандартних умов, і це обмежує його застосування.

На відміну від графену, оптимальна ширина забороненої зони в дисульфіді молібдену (MoS2) робить його придатним для використання в електронних пристроях. Кожен шар MoS2 має сендвіч-структуру, з шаром молібдену, затиснутим між двома шарами атомів сірки. Двовимірні гетероструктури Ван-дер-Ваальса, які поєднують різні 2-D матеріали, також демонструють великі перспективи. Фактично, вони вже широко використовуються в енергетичних програмах і каталізі. Синтез двовимірного дисульфіду молібдену у вафельному масштабі (на великій площі) показує потенціал для проривних досягнень у створенні прозорих і гнучких електронних пристроїв, оптичного зв’язку для комп’ютерів наступного покоління, а також в інших галузях електроніки та оптоелектроніки.

«Метод, який ми винайшли для синтезу MoS2, складається з двох етапів. По-перше, плівка MoO3 вирощується за допомогою методу осадження атомарного шару, який забезпечує точну товщину атомарного шару та дозволяє конформне покриття всіх поверхонь. А MoO3 можна легко отримати на пластинах діаметром до 300 міліметрів. Далі плівка піддається термообробці в парах сірки. У результаті атоми кисню в MoO3 заміщуються атомами сірки і утворюється MoS2. Ми вже навчилися вирощувати атомно-тонкі плівки MoS2 на площі до кількох десятків квадратних сантиметрів», — пояснює Андрій Маркєєв, керівник лабораторії атомного шарового осадження МФТІ.

Дослідники встановили, що структура плівки залежить від температури сульфурації. Плівки, сульфіровані при 500°С, містять кристалічні зерна розміром кілька нанометрів кожне, вбудовані в аморфну ​​матрицю. При 700°С ці кристаліти мають діаметр близько 10-20 нм, а шари S-Mo-S орієнтовані перпендикулярно до поверхні. В результаті поверхня має численні звисаючі зв'язки. Така структура демонструє високу каталітичну активність у багатьох реакціях, включаючи реакцію виділення водню. Для використання MoS2 в електроніці шари S-Mo-S повинні бути паралельні поверхні, що досягається при температурах сульфурації 900-1000°С. Отримані плівки мають товщину 1,3 нм, або два молекулярні шари, і мають комерційно значущу (тобто досить велику) площу.

Синтезовані в оптимальних умовах плівки MoS2 були введені в прототипні структури метал-діелектрик-напівпровідник на основі сегнетоелектричного оксиду гафнію і моделюють польовий транзистор. Плівка MoS2 у цих структурах слугувала напівпровідниковим каналом. Його провідність контролювалася перемиканням напрямку поляризації сегнетоелектричного шару. Було виявлено, що при контакті з MoS2 матеріал La:(HfO2-ZrO2), який раніше був розроблений в лабораторії МФТІ, має залишкову поляризацію приблизно 18 мікрокулонів на квадратний сантиметр. Завдяки довговічності перемикань у 5 мільйонів циклів він перевершив попередній світовий рекорд у 100 000 циклів для кремнієвих каналів.