Ученые обнаружили, что полупроводник дисульфид молибдена в виде пленки сильно окисляется на воздухе, превращаясь в другое соединение. Новые данные сужают область его потенциального применения в микроэлектронике и одновременно открывают новые перспективы использования двумерных материалов в качестве катализатора. Результаты работы опубликованы в Nature Chemistry.

Дисульфид молибдена (MoS₂) рассматривается в качестве перспективной основы для множества сверхмалых электронных устройств, таких как высокочастотные детекторы, выпрямители, транзисторы, поэтому его двумерный формат – нанопленка — активно изучают исследователи по всему миру. Новая работа ученых из России, Венгрии, Кореи и Бельгии показало, что этот двумерный материал настолько сильно окисляется на воздухе, что превращается в другое соединение.

Электронное устройство с использованием пленки MoS₂ без специфической защиты очень быстро перестанет работать, соответственно, для того, чтобы применять подобный прибор в микроэлектронике, его обязательно нужно заключить в капсулу.

В эксперименте двумерные слои дисульфида молибдена, полученные в результате расслоения кристаллов дисульфида молибдена при помощи ультразвука, выдерживались в условиях окружающей среды – при обычной комнатной температуре и освещении в течение долго срока (более полутора лет), в течении которого проводилось наблюдение изменения структуры его поверхности.

Слева – экспериментальное изображение MoS₂ содержащего дефекты появившиеся в результате воздействия окружающей среды (полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа – СТМ), середина – результаты моделирования СТМ изображения, справа – модель атомной структуры слоя. Levente Tapasztó et al.

«Нам впервые в мире удалось экспериментально доказать, что однослойный дисульфид молибдена в условиях окружающей среды сильно деградирует, окисляется и превращается в твердый раствор MoS_2-xO_x, — объясняет один из авторов работы, сотрудник МИСиС Павел Сорокин. — Функционал двумерного полупроводника без дефектов и потерь может осуществить другой материал со сходной структурой – диселенид молибдена».

По словам другого автора работы, сотрудника МИСиС Захара Попова, «благодаря применению туннельной микроскопии удалось отследить структурные изменения кристаллов двумерного дисульфида серы на атомарном уровне при длительном нахождении в условиях окружающей среды. Мы обнаружили, что материал, считавшийся ранее стабильным, подвержен спонтанному окислению, при этом изначальная кристаллическая структура монослоев MoS₂ сохраняется с образованием твердых растворов MoS_2-xO_x».

Проведенное группой моделирование позволило заранее предложить механизм образования таких твердых растворов, при этом результаты теоретических расчетов совпали с экспериментальными измерениями.

«Вторым ключевым открытием исследования является то, что новый материал, в который превращается монослой дисульфида молибдена – двумерные кристаллы твердого раствора MoS_2-xO_x – является эффективным катализатором электрохимических процессов», — заключает Павел Сорокин.