Các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow đã tìm cách phát triển các màng molypden disulfide mỏng cấp nguyên tử có diện tích lên tới vài chục cm vuông. Người ta đã chứng minh rằng cấu trúc của vật liệu có thể được sửa đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ tổng hợp. Các màng này rất quan trọng đối với thiết bị điện tử và quang điện tử, thu được ở nhiệt độ 900-1.000°C. Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Vật liệu nano ứng dụng ACS.

Vật liệu hai chiều đang thu hút sự quan tâm đáng kể do những tính chất độc đáo của chúng xuất phát từ cấu trúc và những hạn chế cơ học lượng tử của chúng. Họ vật liệu 2 chiều bao gồm kim loại, bán kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện. Graphene, có lẽ là vật liệu 2 chiều nổi tiếng nhất, là một lớp đơn nguyên tử carbon. Nó có khả năng di chuyển mang điện tích cao nhất được ghi nhận cho đến nay. Tuy nhiên, graphene không có vùng cấm trong điều kiện tiêu chuẩn và điều đó hạn chế các ứng dụng của nó.

Không giống như graphene, độ rộng tối ưu của vùng cấm trong molybdenum disulfide (MoS2) khiến nó phù hợp để sử dụng trong các thiết bị điện tử. Mỗi lớp MoS2 có cấu trúc bánh sandwich, với một lớp molypden được ép giữa hai lớp nguyên tử lưu huỳnh. Cấu trúc dị thể van der Waals hai chiều, kết hợp các vật liệu 2 chiều khác nhau, cũng cho thấy nhiều hứa hẹn. Trên thực tế, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng và xúc tác liên quan đến năng lượng. Quá trình tổng hợp molybdenum disulfide 2-D ở quy mô wafer (diện tích lớn) cho thấy tiềm năng tiến bộ đột phá trong việc tạo ra các thiết bị điện tử trong suốt và linh hoạt, truyền thông quang học cho máy tính thế hệ tiếp theo, cũng như trong các lĩnh vực điện tử và quang điện tử khác.

“Phương pháp chúng tôi nghĩ ra để tổng hợp MoS2 bao gồm hai bước. Đầu tiên, một màng MoO3 được tạo ra bằng kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử, mang lại độ dày lớp nguyên tử chính xác và cho phép phủ phù hợp lên tất cả các bề mặt. Và MoO3 có thể dễ dàng thu được trên các tấm bán dẫn có đường kính lên tới 300 mm. Tiếp theo, màng được xử lý nhiệt trong hơi lưu huỳnh. Kết quả là nguyên tử oxy trong MoO3 được thay thế bằng nguyên tử lưu huỳnh và MoS2 được hình thành. Andrey Markeev, người đứng đầu Phòng thí nghiệm lắng đọng lớp nguyên tử của MIPT, giải thích: Chúng tôi đã học cách phát triển màng MoS2 mỏng nguyên tử trên diện tích lên tới vài chục cm vuông.

Các nhà nghiên cứu xác định rằng cấu trúc của màng phụ thuộc vào nhiệt độ lưu huỳnh hóa. Các màng được lưu huỳnh hóa ở nhiệt độ 500°С chứa các hạt tinh thể, mỗi hạt có kích thước vài nanomet, được nhúng trong một ma trận vô định hình. Ở 700°С, các tinh thể này có chiều ngang khoảng 10-20 nm và các lớp S-Mo-S được định hướng vuông góc với bề mặt. Kết quả là bề mặt có nhiều liên kết lơ lửng. Cấu trúc như vậy thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng, bao gồm cả phản ứng tạo ra hydro. Để MoS2 được sử dụng trong thiết bị điện tử, các lớp S-Mo-S phải song song với bề mặt, điều này đạt được ở nhiệt độ lưu huỳnh hóa 900-1.000°С. Các màng thu được có độ mỏng khoảng 1,3 nm, hoặc hai lớp phân tử và có diện tích có ý nghĩa thương mại (tức là đủ lớn).

Các màng MoS2 được tổng hợp trong điều kiện tối ưu đã được đưa vào các cấu trúc nguyên mẫu chất bán dẫn-điện môi-kim loại, dựa trên oxit hafnium sắt điện và mô hình hóa một bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Màng MoS2 trong các cấu trúc này đóng vai trò là kênh bán dẫn. Độ dẫn điện của nó được kiểm soát bằng cách chuyển hướng phân cực của lớp sắt điện. Khi tiếp xúc với MoS2, vật liệu La:(HfO2-ZrO2), được phát triển trước đó trong phòng thí nghiệm MIPT, được phát hiện có độ phân cực dư khoảng 18 microcoulomb trên mỗi cm vuông. Với độ bền chuyển mạch là 5 triệu chu kỳ, nó đứng đầu kỷ lục thế giới trước đó là 100.000 chu kỳ đối với kênh silicon.