モスクワ物理工科大学の研究者らは、最大数十センチメートル四方の二硫化モリブデンの原子的薄膜を成長させることに成功した。合成温度を変えることで材料の構造を変更できることが実証されました。エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスにとって重要なフィルムは、摂氏 900 ～ 1,000 度で得られました。この研究結果は、雑誌「ACS Applied Nano Materials」に掲載されました。

二次元材料は、その構造と量子力学的制限に起因する独特の特性により、大きな関心を集めています。2D 材料のファミリーには、金属、半金属、半導体、絶縁体が含まれます。おそらく最も有名な 2D 材料であるグラフェンは、炭素原子の単層です。これは、これまでに記録された最高の電荷キャリア移動度を持っています。ただし、グラフェンには標準条件下ではバンドギャップがないため、その用途が制限されます。

グラフェンとは異なり、二硫化モリブデン (MoS2) は最適なバンドギャップ幅を備えているため、電子デバイスでの使用に適しています。各 MoS2 層はサンドイッチ構造になっており、モリブデンの層が 2 つの硫黄原子の層の間に挟まれています。異なる 2 次元材料を組み合わせた 2 次元ファンデルワールスヘテロ構造も、同様に大きな可能性を示しています。実際、それらはすでにエネルギー関連の用途や触媒作用で広く使用されています。2D 二硫化モリブデンのウェーハスケール (大面積) 合成は、透明でフレキシブルな電子デバイスの作製、次世代コンピューター用の光通信、さらにはエレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの他の分野において画期的な進歩の可能性を示しています。

「私たちが MoS2 を合成するために考え出した方法には 2 つのステップが含まれます。まず、原子層堆積技術を使用して MoO3 の膜を成長させます。この技術により、正確な原子層の厚さが得られ、すべての表面のコンフォーマル コーティングが可能になります。また、MoO3 は直径 300 ミリメートルまでのウェーハで簡単に得ることができます。次に、フィルムを硫黄蒸気中で熱処理する。その結果、MoO3 中の酸素原子が硫黄原子に置換され、MoS2 が形成されます。私たちはすでに、原子レベルで薄い MoS2 膜を最大数十平方センチメートルの領域に成長させる方法を学んでいます」と MIPT の原子層堆積研究室の責任者である Andrey Markeev 氏は説明します。

研究者らは、膜の構造が硫化温度に依存することを突き止めた。500°Сで硫化された膜には、非晶質マトリックスに埋め込まれた数ナノメートルの結晶粒が含まれています。700°С では、これらの微結晶は直径約 10 ～ 20 nm で、S-Mo-S 層は表面に対して垂直に配向します。その結果、表面には多数のダングリングボンドが存在します。このような構造は、水素発生反応を含む多くの反応において高い触媒活性を示します。MoS2 をエレクトロニクスに使用するには、S-Mo-S 層が表面に対して平行である必要があり、これは 900 ～ 1,000°С の硫化温度で達成されます。得られる膜は 1.3 nm、つまり 2 分子層ほど薄く、商業的に重要な (つまり、十分に大きい) 面積を持っています。

最適な条件下で合成された MoS2 膜は、強誘電体酸化ハフニウムをベースにし、電界効果トランジスタをモデル化する金属 - 誘電体 - 半導体のプロトタイプ構造に導入されました。これらの構造の MoS2 膜は半導体チャネルとして機能します。その導電率は、強誘電体層の分極方向を切り替えることによって制御されました。MIPT 研究室で以前に開発された La:(HfO2-ZrO2) 材料は、MoS2 と接触すると、平方センチメートルあたり約 18 マイクロクーロンの残留分極を持つことが判明しました。スイッチング耐久性は 500 万サイクルで、これまでのシリコン チャネルの世界記録である 100,000 サイクルを上回りました。