Американские химики разработали гибкий метод получения двумерных полупроводниковых гетерострукутур из различных халькогенидов переходных металлов. Предложенный подход позволяет объединять в одном слое несколько веществ и управлять размером и количеством областей различного состава с помощью переключения состава газовой среды при синтезе кристалла, сообщают ученые в статье в Nature.

Двумерные полупроводниковые материалы, представляющие собой кристаллические слои толщиной в один атом, все чаще предлагают использовать в качестве элементов нанодетекторов, сенсоров и телекоммуникационных систем. Например, на основе двумерного дисульфида молибдена можно сделать элемент нанотранзистора или, например, мембрану для фильтрования воды.

Часто двумерные полупроводники предлагают объединять с другими двумерными материалами в общую гетероструктуру, комбинируя друг с другом их электронные свойства. Если необходимо объединить полупроводник, например, с диэлектриком, то из двумерных кристаллов собирают ван-дер-ваальсовы многослойные структуры. Однако в тех случаях, когда между собой нужно соединить два полупроводника с близкими параметрами решетки, то более выгодно получать «латеральные» гетероструктуры, срастив по бокам и формируя один общий двумерный кристалл. Тем не менее, методов для подобного сращивания пока предложено довольно мало, и все такие подходы не отличаются гибкостью: как правило с помощью них можно получить только одну определенную конфигурацию гетероструктуры единственного состава с небольшим количеством стыков.

Карты различных оптических гетероструктур из сульфидов молибдена и вольфрама. Сверху и в нижнем правом углу изображены карты фотолюменисценции, снизу (слева и по центру) — карта интенсивности рамановского рассеяния. P.K. Sahoo et al./ Nature, 2018

Группа американских химиков под руководством Умберто Гутьерреса (Humberto R. Gutiérrez) из Университета Южной Флориды разработала новый подход для управляемого получения двумерных гетероструктур на основе дихалькогенидов переходных металлов (сульфидов и селенидов вольфрама и молибдена) с большим количеством соединений. Для синтеза гетероструктур нужного вида ученые использовали традиционный метод осаждения из газовой фазы (англ. chemical vapor deposition), но при этом во время синтеза последовательно переключали состав газа-носителя реакционной смеси, из которой происходило осаждение.

Оказалось, что если проводить осаждение в атмосфере азота с добавлением паром воды, то осаждаются соли молибдена, а использование смеси аргона и водорода приводит к росту солей вольфрама. Смена газа позволяет управлять процессами окисления и летучестью компонентов. Поэтому, переключая состав газа, можно контролировать состав растущей двумерной пленки и менять его необходимое количество раз.

Форма образующихся двумерных кристаллов при этом получается треугольной, однако при определенных условиях на границу роста могут попадать торцевые слои разного состава, что можно использовать для получения кристаллов в виде шестиугольников или снежинок. По словам ученых, основное преимущество предложенного им метода заключается в его гибкости. С помощью такого подхода можно получать гетероструктуры из любого из четырех дихалькогенидов, содержащих серу, селен, вольфрам и молибден, а также в очень широких пределах изменять геометрию кристалла, ширину полос различного состава и количество стыков.

Карта химического состава двумерного гетерокристалла по данным кольцевой темнопольной просвечивающей электронной микроскопии при больших углах. P.K. Sahoo et al./ Nature, 2018

Карта химического состава двумерного гетерокристалла по данным кольцевой темнопольной просвечивающей электронной микроскопии при больших углах. P.K. Sahoo et al./ Nature, 2018

Для анализа свойств полученных кристаллов авторы работы изучили их оптические и электронные свойства. Так, карты фотолюменисценции подтвердили существование в материале нескольких зон с различной шириной запрещенной зоны, соответствующей разным соединениям. А электронная микроскопия (ученые использовали для анализа кольцевую темнопольную просвечивающую сканирующую электронную микроскопию при больших углах, HAADF-STEM) подтвердила химический состав и отсутсвие кристаллических дефектов в зоне стыков двух веществ разного состава.

Анализ проводящих свойств образовавшихся структур показал, что стыки двух соединений имеют свойства диода, пропускающего ток только в одном направлении, поэтому в дальнейшем такие материалы могут быть использованы в качестве элементов фотодиодов, нанотранзисторов или фотодетекторов.

Недавно другая группа химиков предложила альтернативный подход к созданию гетероструктур на основе двумерных кристаллов дихалькогенидов переходных металлов. В своей работе ученые предложили способ создавать одномерные «провода» из дисульфида молибдена внутри плоского слоя диселенида вольфрама. Толщина такого «провода» составляет всего от трех до пяти атомов.

Автор: Александр Дубов