En atomskiktsdeponeringsreaktor som används för att erhålla ultratunna molybdenoxidfilmer, som därefter sulfuriserades till 2D molybdendisulfid. Upphovsman:Atomic Layer Deposition Lab, MIPT
Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik har lyckats odla atomiskt tunna filmer av molybdendisulfid som sträcker sig upp till flera tiotals centimeter kvadrat. Det demonstrerades att materialets struktur kan modifieras genom att variera syntestemperaturen. Filmerna, som är viktiga för elektronik och optoelektronik, erhölls vid 900-1, 000 ° Celsius. Resultaten publicerades i tidskriften ACS Applied Nano Materials .
Tvådimensionella material lockar stort intresse på grund av deras unika egenskaper som härrör från deras struktur och kvantmekaniska begränsningar. Familjen med 2-D-material inkluderar metaller, halvmetaller, halvledare, och isolatorer. Grafen, vilket kanske är det mest kända 2-D-materialet, är ett monoskikt av kolatomer. Den har den högsta laddningsbärarens mobilitet hittills. Dock, grafen har inget bandgap under standardförhållanden, och det begränsar dess tillämpningar.
Till skillnad från grafen, den optimala bredden på bandgapet i molybdendisulfid (MoS 2 ) gör den lämplig för användning i elektroniska enheter. Varje MoS 2 lager har en sandwichstruktur, med ett lager molybden pressat mellan två lager svavelatomer. Tvådimensionella van der Waals heterostrukturer, som kombinerar olika 2-D-material, visa stort löfte också. Faktiskt, de används redan i stor utsträckning i energirelaterade applikationer och katalys. Wafer-skala (stor yta) syntes av 2-D molybden disulfid visar potentialen för genombrott framsteg i skapandet av transparenta och flexibla elektroniska enheter, optisk kommunikation för nästa generations datorer, liksom inom andra områden inom elektronik och optoelektronik.
"Metoden vi kom på för att syntetisera MoS 2 innebär två steg. Först, en film av MoO 3 odlas med hjälp av atomskiktets deponeringsteknik, som erbjuder exakt atomskiktstjocklek och möjliggör överensstämmande beläggning av alla ytor. Och MoO 3 kan enkelt erhållas på skivor upp till 300 millimeter i diameter. Nästa, filmen värmebehandlas i svavelånga. Som ett resultat, syreatomerna i MoO 3 ersätts med svavelatomer, och MoS 2 är formad. Vi har redan lärt oss att växa atomärt tunn MoS 2 filmer på en yta på upp till flera tiotals kvadratcentimeter, "förklarar Andrey Markeev, chef för MIPT:s Atomic Layer Deposition Lab.
Forskarna bestämde att filmens struktur beror på sulfuriseringstemperaturen. Filmerna som svavlas vid 500 ° C innehåller kristallina korn, några nanometer vardera, inbäddad i en amorf matris. Vid 700 ° С, dessa kristalliter är cirka 10-20 nm tvärs och S-Mo-S-skikten orienteras vinkelrätt mot ytan. Som ett resultat, ytan har många dinglande bindningar. Sådan struktur visar hög katalytisk aktivitet i många reaktioner, inklusive väteutvecklingsreaktionen. För MoS 2 ska användas inom elektronik, S-Mo-S-skikten måste vara parallella med ytan, som uppnås vid svaveliseringstemperaturer på 900-1, 000 ° С. De resulterande filmerna är så tunna som 1,3 nm, eller två molekylära lager, och har en kommersiellt betydande (dvs. tillräckligt stort) område.
MoS 2 filmer syntetiserade under optimala förhållanden introducerades i metall-dielektriska-halvledarprototypstrukturer, som är baserade på ferroelektrisk hafniumoxid och modellerar en fälteffekttransistor. MoS 2 film i dessa strukturer fungerade som en halvledarkanal. Dess konduktivitet styrdes genom att byta polariseringsriktning för det ferroelektriska skiktet. Vid kontakt med MoS 2 , La:(HfO 2 -ZrO 2 ) material, som tidigare utvecklades i MIPT -labbet, befanns ha en kvarvarande polarisering av cirka 18 mikrokulombom per kvadratcentimeter. Med en växlingsuthållighet på 5 miljoner cykler, den toppade det tidigare världsrekordet på 100, 000 cykler för kiselkanaler.
