Forskere opnår atomisk tynde molybdændisulfidfilm på store substrater

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har formået at dyrke atomisk tynde film af molybdændisulfid, der strækker sig op til flere titusinder kvadratcentimeter. Det blev påvist, at materialets struktur kan modificeres ved at variere syntesetemperaturen. Filmene, som er vigtige for elektronik og optoelektronik, blev opnået ved 900-1, 000° Celsius. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet ACS anvendte nanomaterialer .

Todimensionelle materialer tiltrækker betydelig interesse på grund af deres unikke egenskaber, der stammer fra deres struktur og kvantemekaniske begrænsninger. Familien af ​​2-D materialer omfatter metaller, halvmetaller, halvledere, og isolatorer. grafen, som måske er det mest berømte 2D-materiale, er et monolag af kulstofatomer. Den har den højeste afgiftsoperatørmobilitet, der er registreret til dato. Imidlertid, grafen har ingen båndgab under standardbetingelser, og det begrænser dens anvendelser.

I modsætning til grafen, den optimale bredde af båndgabet i molybdændisulfid (MoS ₂ ) gør den velegnet til brug i elektroniske enheder. Hver MoS ₂ laget har en sandwichstruktur, med et lag af molybdæn klemt mellem to lag af svovlatomer. Todimensionelle van der Waals heterostrukturer, som kombinerer forskellige 2D-materialer, også vise store løfter. Faktisk, de er allerede meget brugt i energirelaterede applikationer og katalyse. Wafer-skala (stort område) syntese af 2-D molybdændisulfid viser potentialet for banebrydende fremskridt i skabelsen af ​​gennemsigtige og fleksible elektroniske enheder, optisk kommunikation til næste generations computere, såvel som inden for andre områder inden for elektronik og optoelektronik.

"Den metode, vi fandt på til at syntetisere MoS ₂ involverer to trin. Først, en film af MoO ₃ dyrkes ved hjælp af atomlagsdeponeringsteknikken, som giver præcis atomlagtykkelse og tillader ensartet belægning af alle overflader. Og MoO ₃ kan nemt fås på wafers på op til 300 millimeter i diameter. Næste, filmen varmebehandles i svovldamp. Som resultat, oxygenatomerne i MoO ₃ erstattes af svovlatomer, og MoS ₂ er dannet. Vi har allerede lært at dyrke atomisk tynde MoS ₂ film på et areal på op til adskillige snese kvadratcentimeter, " forklarer Andrey Markeev, lederen af ​​MIPT's Atomic Layer Deposition Lab.

Forskerne fastslog, at filmens struktur afhænger af svovltemperaturen. Filmene svovlet ved 500°С indeholder krystallinske korn, et par nanometer hver, indlejret i en amorf matrix. Ved 700°С, disse krystallitter er omkring 10-20 nm på tværs, og S-Mo-S-lagene er orienteret vinkelret på overfladen. Som resultat, overfladen har talrige dinglende bindinger. En sådan struktur viser høj katalytisk aktivitet i mange reaktioner, inklusive hydrogenudviklingsreaktionen. For MoS ₂ skal bruges i elektronik, S-Mo-S-lagene skal være parallelle med overfladen, som opnås ved svovltemperaturer på 900-1, 000°С. De resulterende film er så tynde som 1,3 nm, eller to molekylære lag, og har en kommercielt betydningsfuld (dvs. stort nok) område.

MoS ₂ film syntetiseret under optimale forhold blev indført i metal-dielektrisk-halvlederprototypestrukturer, som er baseret på ferroelektrisk hafniumoxid og modellerer en felteffekttransistor. MoS ₂ film i disse strukturer tjente som en halvlederkanal. Dens ledningsevne blev styret ved at skifte polarisationsretningen af ​​det ferroelektriske lag. Ved kontakt med MoS ₂ , La:(HfO ₂ -ZrO ₂ ) materiale, som tidligere blev udviklet i MIPT-laboratoriet, viste sig at have en resterende polarisation på ca. 18 mikrocoulombs pr. kvadratcentimeter. Med en skifteudholdenhed på 5 millioner cyklusser, det toppede den tidligere verdensrekord på 100, 000 cyklusser for siliciumkanaler.