Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology zijn erin geslaagd om atomair dunne films van molybdeendisulfide te kweken die tot enkele tientallen vierkante centimeters kunnen beslaan. Er werd aangetoond dat de structuur van het materiaal kan worden gewijzigd door de synthesetemperatuur te variëren. De films, die belangrijk zijn voor elektronica en opto-elektronica, werden verkregen bij 900-1, 000° Celsius. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste nanomaterialen .

Tweedimensionale materialen trekken veel belangstelling vanwege hun unieke eigenschappen die voortvloeien uit hun structuur en kwantummechanische beperkingen. De familie van 2D-materialen omvat metalen, halfmetalen, halfgeleiders, en isolatoren. grafeen, wat misschien wel het meest bekende 2D-materiaal is, is een monolaag van koolstofatomen. Het heeft de hoogste laadcarriermobiliteit die tot nu toe is geregistreerd. Echter, grafeen heeft onder standaardomstandigheden geen bandgap, en dat beperkt de toepassingen ervan.

In tegenstelling tot grafeen, de optimale breedte van de bandgap in molybdeendisulfide (MoS ₂ ) maakt het geschikt voor gebruik in elektronische apparaten. Elke MoS ₂ laag heeft een sandwichstructuur, met een laag molybdeen geperst tussen twee lagen zwavelatomen. Tweedimensionale van der Waals heterostructuren, die verschillende 2D-materialen combineren, laten ook een grote belofte zien. In feite, ze worden al veel gebruikt in energiegerelateerde toepassingen en katalyse. Wafer-schaal (grote oppervlakte) synthese van 2-D molybdeendisulfide toont het potentieel voor doorbraken in de creatie van transparante en flexibele elektronische apparaten, optische communicatie voor computers van de volgende generatie, evenals op andere gebieden van elektronica en opto-elektronica.

"De methode die we bedachten om MoS . te synthetiseren ₂ omvat twee stappen. Eerst, een film van MoO ₃ wordt gekweekt met behulp van de atomaire laagdepositietechniek, die nauwkeurige atomaire laagdikte biedt en conforme coating van alle oppervlakken mogelijk maakt. En MoO ₃ kan gemakkelijk worden verkregen op wafels tot 300 millimeter in diameter. Volgende, de film wordt thermisch behandeld in zwaveldamp. Als resultaat, de zuurstofatomen in MoO ₃ worden vervangen door zwavelatomen, en MoS ₂ is gevormd. We hebben al geleerd om atomair dunne MoS . te kweken ₂ films op een oppervlakte tot enkele tientallen vierkante centimeters, " legt Andrey Markeev uit, het hoofd van MIPT's Atomic Layer Deposition Lab.

De onderzoekers stelden vast dat de structuur van de film afhangt van de zwavelingstemperatuur. De bij 500°С gezwavelde films bevatten kristallijne korrels, elk een paar nanometer, ingebed in een amorfe matrix. Bij 700°С, deze kristallieten hebben een doorsnede van ongeveer 10-20 nm en de S-Mo-S-lagen zijn loodrecht op het oppervlak georiënteerd. Als resultaat, het oppervlak heeft tal van bungelende banden. Een dergelijke structuur vertoont een hoge katalytische activiteit in veel reacties, inclusief de waterstofevolutiereactie. Voor MoS ₂ te gebruiken in de elektronica, de S-Mo-S-lagen moeten evenwijdig aan het oppervlak zijn, die wordt bereikt bij zwavelingstemperaturen van 900-1, 000°С. De resulterende films zijn zo dun als 1,3 nm, of twee moleculaire lagen, en een commercieel significante (d.w.z. groot genoeg) gebied.

De MoS ₂ films die onder optimale omstandigheden waren gesynthetiseerd, werden geïntroduceerd in prototypestructuren van metaal-diëlektrische halfgeleiders, die gebaseerd zijn op ferro-elektrisch hafniumoxide en een veldeffecttransistor modelleren. De MoS ₂ film in deze structuren diende als een halfgeleiderkanaal. De geleidbaarheid ervan werd geregeld door de polarisatierichting van de ferro-elektrische laag te veranderen. Bij contact met MoS ₂ , de La:(HfO ₂ -ZrO ₂ ) materiaal, die eerder werd ontwikkeld in het MIPT-lab, bleek een resterende polarisatie van ongeveer 18 microcoulomb per vierkante centimeter te hebben. Met een schakelduur van 5 miljoen cycli, het overtrof het vorige wereldrecord van 100, 000 cycli voor siliciumkanalen.