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.
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 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. 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 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).
Авторы также выражают благодарность Российскому научному фонду, при поддержке которого были получены данные результаты.
Лаборатория атомно-слоевого осаждения МФТИ ведет исследования по всем ключевым направлениям современного АСО. Основное направление — слои, получаемые для полупроводниковой памяти. В лаборатории разработали чип памяти с ресурсом порядка 1011 циклов переключения, тогда как флеш-память выдерживает всего лишь 105 циклов перезаписи. Еще одним значимым направлением деятельности является разработка биосовместимых покрытий, в том числе и с заданными электрическими свойствами. В лаборатории научились получать оксид титана в определенной кристаллической модификации, который хорошо биосовместим с костной тканью. Ученые разработали технологию и процесс покрытия титановых дентальных шурупов-имплантатов, которые приживаются за 2 недели, тогда как обычно этот процесс длится около 2–4 месяцев.