2D-материалы

2019: Ученые МФТИ получили атомно-тонкие слои дисульфида молибдена на подложках больших площадей

23 декабря 2019 года в МФТИ сообщили, что физтехи научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена (MoS2) на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров. Они показали, что структурой MoS2 можно управлять путём изменения температуры синтеза. Пленки, востребованные в электронике и оптоэлектронике, были получены в МФТИ при температурах 900оС–1000оС. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.

Как отметили в МФТИ, 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. 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 MoO3 может легко быть получен на пластинах вплоть до 300 мм в диаметре. На втором этапе проводится термохимическая обработка в парах серы. В результате кислород замещается серой, и образуется соединение MoS2. На декабрь 2019 года мы уже научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена (MoS2) на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров», отметил Андрей Маркеев, научный руководитель лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ

Ученые МФТИ выяснили, что структура получаемой пленки зависит от температуры сульфидирования. При 500оС получается аморфная структура с кристаллическими включениями размером несколько нанометров. При 700оС пленка содержит кристаллиты размером около 10–20 нм. 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 900оС–1000оС. Данный способ позволяет получать пленки толщиной от 1,3 нм (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), подчеркнули в МФТИ.