В двумерном полупроводнике вырастили нанопровод толщиной в три атома

Yimo Han et al./ Nature Materials, 2017
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.
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.
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