Материаловеды увидели в микроскоп разрыв пленки сульфида молибдена

Американские ученые разработали методику исследования изменения структуры поликристаллических пленок дисульфидов переходных металлов под действием электрического тока с помощью просвечивающей электронной микроскопии. На примере дисульфида молибдена авторы обнаружили, что важнейшую роль в разрушении пленки играют пустоты на границе зерен, которые растут за счет миграции атомов молибдена и серы. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Двумерные полупроводники, такие как графен и нитрид бора, имеют большой потенциал для применения в электронных устройствах нового поколения. В последние годы для создания более стабильных полупроводниковых материалов с нужными электрическими, оптическими и каталитическими свойствами синтезируют слоистые структуры дихалькогенидов переходных металлов с заданными дефектами. Так, например, электрические свойства границ между зернами дихалькогенидов, полученными в газовой фазе, отличаются от свойств остальной структуры и зависят от угла наклона границ зерен. Недавние исследования показали, что эти границы в процессе работы устройства сильнее нагреваются и окисляются, что сокращает срок службы материала. Подобные явления объясняют наличием нанопор и вакансий атомов серы в пленке.

Для изучения зависимостей свойств от динамических изменений структуры слоев, через материал пропускают электрический ток и с помощью просвечивающего электронного микроскопа следят за изменением электрического ответа материала в зависимости от нанофизических явлений в структуре материала. Подобные эксперименты технически сложно осуществить, поэтому исследований однослойных структур дихалькогенидов переходных металлов этим методом не так много.

Акшай Мурти (Akshay A. Murthy) с коллегами из Северо-Западного университета разработали методику синтеза и изучения изменения структуры поликристаллических пленок однослойного дисульфида молибдена под действием тока смещения методом просвечивающей электронной микроскопии. Ученые поместили на кремниево-кварцевую сетку микроскопа электроды из золота на расстоянии одного микрона друг от друга и перенесли на них поликристалличную однослойную пленку дисульфида молибдена между парами электродов, к которым затем подсоединили провода.

Авторы обнаружили, что в электрическом поле напряженные области около границы зерен ведут себя как источник вакансий, а пустоты на границе, наоборот, растут за счет поглощения вакансий, что приводит к появлению потока вакансий по направлению к границам зерен. Исследователи также обнаружили, что это «течение» приводит к возникновению молибденовых кластеров, которые собираются около пустот в пленке. Причем процесс течения вакансий не бесконечен, а достигает метастабильного состояния после нескольких первичных циклов наложения напряжения смещения.

Выяснение причин разрушения поликристаллической структуры однослойных пленок дисульфидов переходных металлов позволит в будущем найти способы предотвращения нежелательных процессов. По словам авторов, разработанная методика позволит исследовать другие пленки и разрабатывать модели сложных взаимодействий атомов, которые улучшат свойства материала в макромасштабе.

Дисульфид молибдена может быть полезен и для производства питьевой воды. В 2015 году американские ученые построили теоретические модели мембран из этого вещества, способные эффективно опреснять воду. А через год после этого стэндфордские химики разработали нанолабиринт, который мог дезинфицировать воду под действием света.

Алина Кротова