Исследователи из Японии сообщили о том, что им удалось четко визуализировать фазовое превращение из полупроводникового состояния в металлическое в технологически важном однослойном материале – дисульфиде молибдена. Визуализация была получена впервые, благодаря методике просвечивающей сканирующей электронной микроскопии. Надо отметить, что до сих пор подобные фазовые переходы были гораздо менее изучены, нежели коллективные движения атомов, однако новые наблюдения показывают, что именно эти движения играют в процессе весомую роль. Полученные результаты могут иметь большое значение для «послойного» создания в будущем электронных устройств, представляющих собой композицию слоев с различными свойствами.

Сульфид молибдена или молибденит (MoS₂) – двумерный полупроводник с прямой запрещенной зоной, который в перспективе может заменить кремний при создании электронных и оптоэлектронных устройств. Материал отличается высокой подвижностью носителей заряда. При этом, относясь к так называемым «ван-дер-ваальсовым» материалом (т.е. состоящим из двумерных листов Mo и S, слабо связанных друг с другом), он совместим с различными подложками, даже выполненными из прозрачного пластика. Одиночный слой молибденита имеет толщину около 0,65 нм.

Это означает, что в устройствах, изготовленных на основе этого материала, можно подавить так называемые эффекты короткого канала, что дает возможность создавать очень тонкие транзисторы.

Молибденит уникален тем, что он является полиморфным материалом, т.е. имеет различные электронные характеристики, в зависимости от того, как атомы серы расположены в его структуре. Он проявляет либо полупроводниковые свойства, либо металлические, имея при этом тригональную призматическую или октаэдрическую структуру, соответственно. Из теоретических соображений было известно, что эти две фазы могут переходить друг в друга в результате внутрислоевого скольжения атомной плоскости. Однако непосредственно на эксперименте преобразование до сих пор не наблюдалось.

Группа ученых из AIST (Япония) в рамках своей работы наблюдала, что скольжение атомных плоскостей в молибдените действительно ведет к преобразованию фазы. В рамках проведенной работы преобразования были вызваны теплом от пучка электронов, при помощи которого исследователи наблюдали за образцом.

По сути, облучение вызывает появление очень небольшого металлического домена в структуре полупроводникового молибденита, присутствие которого запускает фазовый переход во всем материале. Обнаруженное явление может в перспективе использоваться для намеренного (контролируемого) фазового превращения молибденита и других подобных однослойных материалов.

Полученные результаты означают, что в рамках электронных устройств можно использовать фазовый переход непосредственно в одном слое материала, т.е. собирать устройство слой за слоем (при этом слои могут иметь разные свойства). Конечно, на данном этапе это пока не такая уж простая задача, однако уже сейчас ученые научились создавать структуры с атомарной точностью.

В рамках своей работы исследователи продемонстрировали устройства, состоящие из нескольких слоев с различными свойствами, к примеру, конструкцию, представляющую собой локальную полупроводниковую область, расположенную между двумя электродами с металлическими свойствами.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.