В двумерном полупроводнике вырастили нанопровод толщиной в три атома

Химикам удалось получить бездефектный одномерный наноканал из сульфида молибдена в двумерном селениде вольфрама. Толщина такого канала составила от 3 до 5 атомов, а для его создания использовались дислокации на границе гетерогенного двумерного кристалла, говорится в статье, опубликованной в Nature Materials.

Благодаря своим необычным физическим свойствам двумерные кристаллы считаются крайне перспективными материалами, в частности, для создания электронных устройств следующего поколения. Как и трехмерные кристаллы, двумерные одноатомные пленки могут быть металлами, полупроводниками и диэлектриками. Так, наиболее популярными полупроводниковыми двумерными кристаллами являются халькогениды переходных металлов, в частности сульфиды, селениды и теллуриды вольфрама и молибдена. При этом, кроме непосредственно химического состава и кристаллической структуры, свойства таких кристаллов зависят от наличия в них дефектов и примесей, и состояния края и химического окружения.

В своей работе ученые из США, Саудовской Аравии и Тайваня под руководством Дэвида Мюллера (David A. Muller) предложили способ для создания в структуре полупроводникового двумерного кристалла бездефектного одномерного наноканала другого состава. Для этого они рассмотрели материал, в котором стыкуются два двумерных кристалла: дисульфида молибдена MoS₂ и диселенида вольфрама WSe₂. На стыке двух кристаллов из-за небольшого несоответствия параметров кристаллической решетки возможно образование дислокаций — элементов разупорядоченной структуры в результате наличия лишнего атома, который пытается встроится в двумерную кристаллическую решетку.

Оказалось, что при наличии в окружающей атмосфере молекул нужного состава такие дислокации могут стать центрами роста наноканалов из одного материала внутрь другого. В данном случае внутрь дислокации на границе двух кристаллов начинают встраиваться атомы молибдена и серы, вынуждая дислокацию смещаться вглубь пленки селенида вольфрама. В результате внутрь селинида вольфрама начинает прорастать канала из сульфида молибдена.

Ученые наблюдали за ростом каналов с помощью кольцевого темнопольного просвечивающего растрового электронного микроскопа (annular dark-field scanning transmission electron microscopy, ADF-STEM). Благодаря разнице в массе между атомами вольфрама и молибдена удается получить контрастное изображение с атомарным разрешением. Оказалось, что размер кристаллической ячейки в наноканале MoS₂ полностью соответствовал структуре окружающего его WSe₂. Поэтому дислокация сохранялась только на точке фронта роста канала, а по бокам  серо-молибденовый канал образовывал бездефектное соединение с окружающей кристаллической решеткой, в котором не было ненасыщенных оборванных связей.

Чтобы объяснить почему дислокации выступают катализатором роста таких наноканалов, ученые провели численное моделирование образования и разрыва химических связей в таких системах с помощью методов теории функционала плотности и молекулярной динамики. Оказалось, что встраивание серы на позиции селена и молибдена на позиции вольфрама действительно является энергетически выгодным и приводит к постепенному смещению дислокации.

Альтернативным источником дислокаций, необходимых для роста наноканалов, могут быть границы зерен. При этом направление распространения каналов зависит от ориентации границы относительно кристаллографических направлений, и в некоторых случаях возможно образование ветвистых структур.

Авторы работы утверждают, что с помощью таких одномерных наноканалов с бездефектной структурой в двумерных кристаллах в будущем можно будет получать материалы, в которых можно будет разделять заряды и концентрировать их в нужных точках кристалла. Управление электронной структурой полупроводниковых пленок таким образом делает эти материалы крайне перспективными для использования в электронных устройствах нового поколения.

Образование одномерных каналов — далеко не единственный пример интересных по геометрии систем, которые образует двумерный дисульфид молибдена. Например, из нанолабиринта из  вертикально расположенных «хлопьев» дисульфида молибдена, состоящих из нескольких атомарных слоев, химики сделали устройство для дезинфекции воды.

Александр Дубов