Un reactor de deposición de capa atómica utilizado para obtener películas ultrafinas de óxido de molibdeno, que posteriormente se sulfuraron a disulfuro de molibdeno 2D. Crédito:Laboratorio de deposición de capas atómicas, MIPT
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han logrado cultivar películas atómicamente delgadas de disulfuro de molibdeno que abarcan hasta varias decenas de centímetros cuadrados. Se demostró que la estructura del material se puede modificar variando la temperatura de síntesis. Las películas, que son importantes para la electrónica y la optoelectrónica, se obtuvieron en 900-1, 000 ° Celsius. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nano materiales aplicados por ACS .
Los materiales bidimensionales están atrayendo un interés considerable debido a sus propiedades únicas derivadas de su estructura y restricciones de la mecánica cuántica. La familia de materiales 2-D incluye metales, semimetales, semiconductores, y aislantes. Grafeno que es quizás el material 2-D más famoso, es una monocapa de átomos de carbono. Tiene la movilidad de portadora de carga más alta registrada hasta la fecha. Sin embargo, el grafeno no tiene banda prohibida en condiciones estándar, y eso limita sus aplicaciones.
A diferencia del grafeno, el ancho óptimo de la banda prohibida en el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) lo hace adecuado para su uso en dispositivos electrónicos. Cada MoS 2 La capa tiene una estructura de sándwich, con una capa de molibdeno comprimida entre dos capas de átomos de azufre. Heteroestructuras bidimensionales de van der Waals, que combinan diferentes materiales 2-D, muestra una gran promesa también. De hecho, ya se utilizan ampliamente en catálisis y aplicaciones relacionadas con la energía. La síntesis a escala de oblea (área grande) de disulfuro de molibdeno 2-D muestra el potencial de avances revolucionarios en la creación de dispositivos electrónicos transparentes y flexibles, comunicación óptica para computadoras de próxima generación, así como en otros campos de la electrónica y optoelectrónica.
"El método que se nos ocurrió para sintetizar MoS 2 implica dos pasos. Primero, una película de MoO 3 se cultiva utilizando la técnica de deposición de capa atómica, que ofrece un espesor de capa atómico preciso y permite el recubrimiento conformado de todas las superficies. Y MoO 3 se puede obtener fácilmente en obleas de hasta 300 milímetros de diámetro. Próximo, la película se trata térmicamente con vapor de azufre. Como resultado, los átomos de oxígeno en MoO 3 son reemplazados por átomos de azufre, y MoS 2 se forma. Ya hemos aprendido a hacer crecer MoS atómicamente delgado 2 películas en un área de hasta varias decenas de centímetros cuadrados, "explica Andrey Markeev, el jefe del Laboratorio de Deposición de Capa Atómica de MIPT.
Los investigadores determinaron que la estructura de la película depende de la temperatura de sulfuración. Las películas sulfuradas a 500 ° С contienen granos cristalinos, unos nanómetros cada uno, incrustado en una matriz amorfa. A 700 ° С, estos cristalitos tienen aproximadamente 10-20 nm de ancho y las capas S-Mo-S están orientadas perpendicularmente a la superficie. Como resultado, la superficie tiene numerosos enlaces colgantes. Tal estructura demuestra una alta actividad catalítica en muchas reacciones, incluyendo la reacción de desprendimiento de hidrógeno. Para MoS 2 para ser utilizado en electrónica, las capas S-Mo-S deben ser paralelas a la superficie, que se logra a temperaturas de sulfuración de 900-1, 000 ° С. Las películas resultantes son tan delgadas como 1.3 nm, o dos capas moleculares, y tener una importancia comercial (es decir, suficientemente grande).
El MoS 2 Las películas sintetizadas en condiciones óptimas se introdujeron en estructuras prototipo de semiconductores dieléctricos de metal, que se basan en óxido de hafnio ferroeléctrico y modelan un transistor de efecto de campo. El MoS 2 la película en estas estructuras sirvió como un canal semiconductor. Su conductividad se controló cambiando la dirección de polarización de la capa ferroeléctrica. Cuando está en contacto con MoS 2 , el La:(HfO 2 -ZrO 2 ) material, que se desarrolló anteriormente en el laboratorio MIPT, se encontró que tenía una polarización residual de aproximadamente 18 microculombios por centímetro cuadrado. Con una resistencia a la conmutación de 5 millones de ciclos, superó el récord mundial anterior de 100, 000 ciclos para canales de silicio.
