Молекулярная структура дисульфида молибдена: зеленые шарики — атомы серы (S), фиолетовые — молибдена (Mo). Толщина такого монослоя MoS2 составляет примерно 0,65 нм. © Depositphotos_ogwen
Наноэлектроника ближайшего будущего будет основана не только на графене. Почетное место в ней займут атомарно тонкие пленки дисульфидов молибдена (MoS2) и вольфрама (WS2), молекулярный слой которых представляет собой «сэндвич» из металлической «начинки», заключенной между двумя «ломтиками» серы. При этом атомы серы, молибдена или вольфрама выстроены в своих плоскостях в правильные шестиугольники.
Это гибкие, прозрачные и фоточувствительные двухмерные материалы. От полуметалла с нулевой запрещенной зоной и рекордной подвижностью зарядов (20000-150000 см2В-1с-1) графена, они отличаются полупроводниковыми свойствами. Однослойные пенки MoS2 и WS2 имеют ширину запрещенной зоны порядка 2 эВ и подвижность зарядов 200 — 500 см2В-1с-1, благодаря чему они активно используются для создания перспективных устройств слаботочной наноэлектроники, в первую очередь тонкопленочных транзисторов, призванных прийти на смену медлительным, громоздким и энергозатратным кремниевым аналогам. Насущной задачей на этом пути является поиск масштабируемых методов синтеза бездефектных пленок дисульфидов молибдена и вольфрама.
Эффективный способ получения монослойных MoS2 и WS2 путем химического осаждения из газовой фазы (CVD-метод) разработали сотрудники лаборатории Графеновых нанотехнологий Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Результаты их работы опубликованы в журнале Semiconductors.
Схема синтеза монослойных пленок дисульфида молибдена (а) и дисульфида вольфрама (b). (Smagulova S.A. et al./ Semiconductors, 2020)
Синтез двумерных MoS2 и WS2 происходит в потоке аргона внутри высокотемпературной трехзоновой печи. Исходными веществами (прекурсорами) для получения пленок MoS2 являются порошковый оксид молибдена (MoO3) и сера. Для синтеза WS2 наряду с порошковой серой применяется водная суспензия WO3, которая наносится прямо на подложку. В качестве подложек используется кремний, покрытый слоем SiO2, и сапфир, которые пред началом синтеза специальным образом обрабатываются для удаления загрязнений и примесей.
Подобрав ключевые параметры синтеза — температуру, время, количество и соотношение прекурсоров — ученые из Якутии научились выращивать домены в виде треугольных монокристаллов MoS2 с максимальным боковым размером до 250 мкм на сапфировой подложке, и домены MoS2 и WS2 до 80 мкм на SiO2. В зависимости от соотношения прекурсоров образующиеся на подложках домены сращиваются друг с другом, формируя сплошные однослойные пленки дисульфидов молибдена и вольфрама. Высокая однородность и качество полученных образцов подтверждена с помощью метода комбинационного рассеивания света специалистами компании Русграфен совместно с коллегами из лаборатории Спектроскопии наноматериалов Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Снимки, полученные с помощью атомно-силового микроскопа, показывающие формирования сплошной однослойной пленки MoS2 синтезированной при температуре 750оС на подложке SiO2/Si в зависимости от соотношения прекурсоров MoO3: S. а — 1: 66, b — 1: 99, c — 1: 180. (Smagulova S.A. et al./ Semiconductors, 2020)
Итогом сотрудничества компании Русграфен и лаборатории Графеновых нанотехнологий СВФУ им. М.К. Аммосова стало появление в Русграфен.Маркете новых двумерных материалов — однослойных пленок и монокристаллов дисульфидов молибдена и вольфрама. Площадь коммерчески доступных пленок MoS2 и WS2 пока невелика — 64 мм2, но вполне достаточна для проведения фундаментальных и прикладных исследований, разработки прототипов электронных устройств.
Совсем скоро ассортимент Русграфен.Маркета пополнится еще одной восходящей «звездой» двумерных материалов — «белым графеном» -гексагональным нитридом бора (hBN). Диэлектрик нитрид бора, совместно с полупроводником дисульфидом молибдена и проводником графеном, позволит создавать образцы сверхтонких МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник). Из этого двухмерного «трио», словно из кирпичиков LEGO, можно создавать ван-дер-ваальсовые гетероструктуры, сулящие перевернуть мир современной электроники. Чем мы непременно займемся.
