На Физтехе научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров. Ученые показали, что структурой дисульфида молибдена можно управлять путем изменения температуры синтеза. Пленки, востребованные в электронике и оптоэлектронике, были получены в МФТИ при температурах 900–1000 градусов Цельсия.

Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.

Двумерные (2D) материалы вызывают большой интерес благодаря уникальным свойствам, вызванным особенностями структуры и действием квантово-механических ограничений. Семейство 2D-материалов включает металлы, полуметаллы, полупроводники и изоляторы. Наиболее известный 2D-материал, графен, представляет собой монослойную пленку углерода, обладающую рекордной подвижностью носителей заряда. Однако отсутствие запрещенной зоны при нормальных условиях ограничивает его применимость.

В отличие от графена, дисульфид молибдена MoS₂ обладает оптимальной шириной запрещенной зоны для использования в электронных приборах. Каждый слой MoS₂ представляет собой сэндвич: слой атомов молибдена в окружении слоев атомов серы.

Чрезвычайно перспективными также считаются 2D-ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, получаемые комбинированием различных 2D-материалов.

Эти материалы уже находят широкое применение в энергетике и катализе. При условии получения двумерного дисульфида молибдена на коммерчески значимых (wafer-scale) площадях он может обеспечить прорыв в создании прозрачных и гибких электронных устройств, оптической коммуникации в компьютерах нового поколения и других направлениях электроники и оптоэлектроники.

«Разработанный метод синтеза MoS₂ содержит два этапа. На первом этапе методом атомно-слоевого осаждения (АСО) выращивается пленка МоО₃. Особенность этого процесса — контролируемость толщины с точностью до одного атомного слоя и конформное покрытие любых поверхностей. При этом МоО₃ может легко быть получен на пластинах вплоть до 300 миллиметров в диаметре. На втором этапе проводится термохимическая обработка в парах серы. В результате кислород замещается серой, и образуется соединение MoS₂. Уже сейчас мы научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена (MoS₂) на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров», — рассказывает Андрей Маркеев, научный руководитель лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ.

Ученые МФТИ выяснили, что структура получаемой пленки зависит от температуры сульфидирования. При 500 ^оС получается аморфная структура с кристаллическими включениями размером несколько нанометров. При 700 ^оС пленка содержит кристаллиты размером около 10–20 нанометров. При этом слои S-Mo-S ориентированы перпендикулярно поверхности. Таким образом, на поверхности образуется много оборванных связей. Такая структура обладает высокой каталитической активностью по отношению ко многим реакциям, в том числе реакции выделения водорода. Для использования MoS₂ в электронике нужно, чтобы слои S-Mo-S были ориентированы параллельно поверхности. Такая структура образуется при температуре сульфидирования 900–1000 ^оС. Этот способ позволяет получать пленки толщиной от 1,3 нанометра (что соответствует двум молекулярным слоям) на коммерчески-значимых площадях.

Синтезированные при оптимальных условиях пленки MoS₂ были внедрены в опытные образцы МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе сегнетоэлектрического HfO₂, условно моделирующих работу полевого транзистора. В данных структурах пленка MoS₂ играла роль полупроводникового канала, проводимостью которого можно управлять направлением поляризации сегнетоэлектрического слоя. Разработанный ранее в данной лаборатории МФТИ сегнетоэлектрический материал La:(HfO₂-ZrO₂) в контакте с MoS₂ продемонстрировал остаточную поляризацию около 18 мкКл/см², а ресурс переключений составил около 5×10⁶ циклов, что превосходит достигнутый общемировой результат при использовании кремниевого канала (не более 10⁵ переключений).

Авторы также выражают благодарность Российскому научному фонду, при поддержке которого были получены данные результаты.