Un reattore di deposizione a strato atomico utilizzato per ottenere film ultrasottili di ossido di molibdeno, che sono stati successivamente solforati a bisolfuro di molibdeno 2D. Credito:Laboratorio di deposizione di strati atomici, MIPT
I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca sono riusciti a far crescere film atomicamente sottili di bisolfuro di molibdeno che si estendono fino a diverse decine di centimetri quadrati. È stato dimostrato che la struttura del materiale può essere modificata variando la temperatura di sintesi. I film, importanti per l'elettronica e l'optoelettronica, sono stati ottenuti a 900-1, 000° Celsius. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nanomateriali applicati ACS .
I materiali bidimensionali stanno attirando un notevole interesse a causa delle loro proprietà uniche derivanti dalla loro struttura e dalle restrizioni della meccanica quantistica. La famiglia dei materiali 2-D comprende metalli, semimetalli, semiconduttori, e isolanti. Grafene, che è forse il materiale 2-D più famoso, è un monostrato di atomi di carbonio. Ha la più alta mobilità del portatore di carica registrata fino ad oggi. Però, il grafene non ha band gap in condizioni standard, e questo ne limita le applicazioni.
A differenza del grafene, la larghezza ottimale del bandgap in bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) lo rende idoneo all'uso in dispositivi elettronici. ogni MoS 2 strato ha una struttura a sandwich, con uno strato di molibdeno schiacciato tra due strati di atomi di zolfo. Eterostrutture bidimensionali di van der Waals, che combinano diversi materiali 2-D, mostra anche una grande promessa. Infatti, sono già ampiamente utilizzati nelle applicazioni legate all'energia e nella catalisi. La sintesi su scala wafer (ampia area) del bisolfuro di molibdeno 2-D mostra il potenziale per progressi rivoluzionari nella creazione di dispositivi elettronici trasparenti e flessibili, comunicazione ottica per computer di nuova generazione, così come in altri campi dell'elettronica e dell'optoelettronica.
"Il metodo che abbiamo ideato per sintetizzare MoS 2 comporta due passaggi. Primo, un film di MoO 3 viene coltivato con la tecnica della deposizione di strati atomici, che offre uno spessore dello strato atomico preciso e consente il rivestimento conforme di tutte le superfici. E MoO 3 può essere facilmente ottenuto su wafer fino a 300 millimetri di diametro. Prossimo, il film è trattato termicamente in vapore di zolfo. Di conseguenza, gli atomi di ossigeno in MoO 3 sono sostituiti da atomi di zolfo, e MoS 2 è formato. Abbiamo già imparato a far crescere il MoS . atomicamente sottile 2 film su un'area fino a diverse decine di centimetri quadrati, " spiega Andrey Markeev, il capo dell'Atomic Layer Deposition Lab del MIPT.
I ricercatori hanno determinato che la struttura del film dipende dalla temperatura di solforazione. I film solforati a 500°С contengono grani cristallini, pochi nanometri ciascuno, incorporato in una matrice amorfa. A 700°С, questi cristalliti hanno un diametro di circa 10-20 nm e gli strati S-Mo-S sono orientati perpendicolarmente alla superficie. Di conseguenza, la superficie presenta numerosi legami penzolanti. Tale struttura dimostra un'elevata attività catalitica in molte reazioni, compresa la reazione di evoluzione dell'idrogeno. Per MoS 2 da utilizzare in elettronica, gli strati S-Mo-S devono essere paralleli alla superficie, che si ottiene a temperature di solforazione di 900-1, 000°С. I film risultanti sono sottili fino a 1,3 nm, o due strati molecolari, e hanno un valore commerciale significativo (cioè, abbastanza grande).
Il MoS 2 film sintetizzati in condizioni ottimali sono stati introdotti in strutture prototipi di metallo-dielettrico-semiconduttore, che si basano sull'ossido di afnio ferroelettrico e modellano un transistor ad effetto di campo. Il MoS 2 il film in queste strutture fungeva da canale semiconduttore. La sua conduttività era controllata commutando la direzione di polarizzazione dello strato ferroelettrico. Quando sei in contatto con MoS 2 , la La:(HfO 2 -ZrO 2 ) Materiale, che è stato precedentemente sviluppato nel laboratorio MIPT, è risultato avere una polarizzazione residua di circa 18 microcoulomb per centimetro quadrato. Con una durata di commutazione di 5 milioni di cicli, ha superato il precedente record mondiale di 100, 000 cicli per i canali del silicio.
