Istraživači sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju uspjeli su uzgojiti atomski tanke filmove molibden disulfida veličine do nekoliko desetina kvadratnih centimetara.Pokazano je da se struktura materijala može modificirati mijenjanjem temperature sinteze.Filmovi, koji su važni za elektroniku i optoelektroniku, dobijeni su na 900-1000° Celzijusa.Nalazi su objavljeni u časopisu ACS Applied Nano Materials.

Dvodimenzionalni materijali privlače veliko interesovanje zbog svojih jedinstvenih svojstava koja proizilaze iz njihove strukture i kvantnih mehaničkih ograničenja.Porodica 2-D materijala uključuje metale, polumetale, poluvodiče i izolatore.Grafen, koji je možda najpoznatiji 2-D materijal, je monosloj atoma ugljika.Ima najveću mobilnost nosioca punjenja zabilježenu do sada.Međutim, grafen nema razmak u pojasu u standardnim uvjetima, a to ograničava njegovu primjenu.

Za razliku od grafena, optimalna širina pojasa u molibden disulfidu (MoS2) čini ga pogodnim za upotrebu u elektronskim uređajima.Svaki sloj MoS2 ima sendvič strukturu, sa slojem molibdena stisnutog između dva sloja atoma sumpora.Dvodimenzionalne van der Waalsove heterostrukture, koje kombinuju različite 2-D materijale, takođe obećavaju.U stvari, oni se već naširoko koriste u energetskim aplikacijama i katalizi.Sinteza 2-D molibden disulfida na vaferskoj skali (velike površine) pokazuje potencijal za napredak u stvaranju transparentnih i fleksibilnih elektronskih uređaja, optičkoj komunikaciji za kompjutere sljedeće generacije, kao iu drugim poljima elektronike i optoelektronike.

„Metoda koju smo smislili za sintezu MoS2 uključuje dva koraka.Prvo, film MoO3 se uzgaja tehnikom nanošenja atomskog sloja, koja nudi preciznu debljinu atomskog sloja i omogućava konformno premazivanje svih površina.A MoO3 se lako može dobiti na pločicama prečnika do 300 milimetara.Zatim se film termički obrađuje u sumpornoj pari.Kao rezultat toga, atomi kisika u MoO3 zamjenjuju se atomima sumpora i nastaje MoS2.Već smo naučili da uzgajamo atomski tanke MoS2 filmove na površini do nekoliko desetina kvadratnih centimetara,” objašnjava Andrey Markeev, šef Laboratorije za odlaganje atomskih slojeva pri MIPT-u.

Istraživači su utvrdili da struktura filma ovisi o temperaturi sumporanja.Filmovi sumporisani na 500°C sadrže kristalna zrna, po nekoliko nanometara, ugrađena u amorfnu matricu.Na 700°C, ovi kristaliti su oko 10-20 nm u prečniku, a S-Mo-S slojevi su orijentisani okomito na površinu.Kao rezultat, površina ima brojne viseće veze.Takva struktura pokazuje visoku katalitičku aktivnost u mnogim reakcijama, uključujući reakciju evolucije vodika.Da bi se MoS2 koristio u elektronici, slojevi S-Mo-S moraju biti paralelni s površinom, što se postiže pri temperaturama sumporovanja od 900-1.000°C.Rezultirajući filmovi su tanki od 1,3 nm, ili dva molekularna sloja, i imaju komercijalno značajnu (tj. dovoljno veliku) površinu.

MoS2 filmovi sintetizirani pod optimalnim uvjetima uvedeni su u prototipne strukture metal-dielektrik-poluvodič, koje se temelje na feroelektričnom hafnij oksidu i modeliraju tranzistor sa efektom polja.MoS2 film u ovim strukturama služio je kao poluprovodnički kanal.Njegova provodljivost je kontrolirana mijenjanjem smjera polarizacije feroelektričnog sloja.Kada je u kontaktu sa MoS2, La:(HfO2-ZrO2) materijal, koji je ranije razvijen u laboratoriji MIPT, otkriveno je da ima zaostalu polarizaciju od približno 18 mikrokulona po kvadratnom centimetru.Sa izdržljivošću prebacivanja od 5 miliona ciklusa, nadmašio je prethodni svjetski rekord od 100.000 ciklusa za silikonske kanale.