A Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet kutatóinak sikerült atomosan vékony, több tíz négyzetcentiméteres molibdén-diszulfid filmeket növeszteni.Kimutattam, hogy az anyag szerkezete módosítható a szintézis hőmérsékletének változtatásával.Az elektronika és az optoelektronika számára fontos filmeket 900-1000 Celsius-fokon állították elő.Az eredményeket az ACS Applied Nano Materials folyóiratban tették közzé.

A kétdimenziós anyagok szerkezetükből és kvantummechanikai korlátaiból adódó egyedi tulajdonságaik miatt jelentős érdeklődést váltanak ki.A 2-D anyagok családjába fémek, félfémek, félvezetők és szigetelők tartoznak.A grafén, amely talán a leghíresebb 2-D anyag, szénatomok egyrétegű rétege.Ez az eddigi legmagasabb töltéshordozó mobilitás.A grafénnek azonban nincs sávrés szabványos körülmények között, és ez korlátozza alkalmazását.

A graféntől eltérően a molibdén-diszulfidban (MoS2) a sávszélesség optimális szélessége alkalmassá teszi az elektronikus eszközökben való használatra.Minden MoS2 réteg szendvics szerkezetű, két kénatomréteg közé egy molibdénréteg van beszorítva.A kétdimenziós van der Waals heterostruktúrák, amelyek különböző 2-D anyagokat kombinálnak, szintén nagy ígéretet mutatnak.Valójában már széles körben használják az energiával kapcsolatos alkalmazásokban és katalízisben.A 2-D molibdén-diszulfid ostyaléptékű (nagy felületű) szintézise megmutatja az áttörés lehetőségét az átlátszó és rugalmas elektronikus eszközök létrehozásában, a következő generációs számítógépek optikai kommunikációjában, valamint az elektronika és az optoelektronika más területein.

„A MoS2 szintetizálására kidolgozott módszer két lépésből áll.Először is, egy MoO3 filmet növesztenek atomréteg-lerakódási technikával, amely pontos atomi rétegvastagságot biztosít, és lehetővé teszi az összes felület konform bevonását.A MoO3 pedig könnyen beszerezhető akár 300 milliméter átmérőjű ostyákon is.Ezután a filmet kéngőzben hőkezelik.Ennek eredményeként a MoO3-ban az oxigénatomokat kénatomok váltják fel, és MoS2 képződik.Megtanultuk már, hogy akár több tíz négyzetcentiméteres felületen is lehet atomosan vékony MoS2 filmeket növeszteni” – magyarázza Andrey Markeev, a MIPT Atomic Layer Deposition Lab vezetője.

A kutatók megállapították, hogy a film szerkezete a kénezési hőmérséklettől függ.Az 500°C-on kénezett filmek egyenként néhány nanométeres kristályos szemcséket tartalmaznak amorf mátrixba ágyazva.700 °C-on ezek a krisztallitok körülbelül 10-20 nm átmérőjűek, és az S-Mo-S rétegek merőlegesek a felületre.Ennek eredményeként a felületen számos lógó kötés található.Az ilyen szerkezet számos reakcióban nagy katalitikus aktivitást mutat, beleértve a hidrogénfejlődési reakciót is.Ahhoz, hogy a MoS2 az elektronikában használható legyen, az S-Mo-S rétegeknek párhuzamosnak kell lenniük a felülettel, ami 900-1000°С kénezési hőmérsékleten érhető el.A kapott filmek 1,3 nm-es vékonyságúak vagy két molekularétegűek, és kereskedelmileg jelentős (azaz elég nagy) területtel rendelkeznek.

Az optimális körülmények között szintetizált MoS2 filmeket fém-dielektrikum-félvezető prototípus struktúrákba vezették be, amelyek ferroelektromos hafnium-oxid alapúak és térhatású tranzisztort modelleznek.A MoS2 film ezekben a struktúrákban félvezető csatornaként szolgált.Vezetőképességét a ferroelektromos réteg polarizációs irányának változtatásával szabályoztuk.Amikor MoS2-vel érintkezett, a korábban a MIPT laboratóriumban kifejlesztett La:(HfO2-ZrO2) anyag maradék polarizációja körülbelül 18 mikrokulon/négyzetcentiméter.5 millió ciklusos kapcsolási tartósságával megdöntötte a szilíciumcsatornák korábbi 100 000 ciklusos világrekordját.