Однослойный дисульфид молибдена получили на капле жидкого металла

Однослойный дисульфид молибдена вырастили на капле жидкого металла. Для этого ученые на сплаве галлия и индия при помощи серной кислоты образовали двойной электрический слой, после чего перенесли в него ионы из тетратиомолибдат аммония, завершив процесс отжигом. Технология может стать альтернативой традиционному методу получению монослоя дихалькогенидов переходных металлов при помощи химического осаждения из газовой фазы. Статья опубликована в Advanced Functional Materials.

Дисульфид молибдена (MoS₂) из одного слоя атомов считается перспективным материалом для электроники — он может заменить кремний в транзисторах, стать основной прозрачных и гибких микросхем или фотодетекторов. Чаще всего дисульфид молибдена для этих целей получают методом химического осаждения из газовой фазы, когда поток паров над подложкой формирует на ней тонкий слой материала.

Ифан Ван (Yifang Wang) из Университета Нового Южного Уэльса и его коллеги придумали принципиально новый способ получения монослоя дисульфида молибдена. Ученые предложили использовать в качестве субстрата не твердое тело, а жидкий металл, на котором требуемый материал формируется в ходе взаимодействия с молибденосодержащим соединением.

Жидкий металл хорошо подходит для синтеза двумерных материалов, поскольку его поверхность сама по себе гладкая на атомарном уровне. Самый известный жидкий при комнатной температуре металл это ртуть, но из-за ее высокой токсичности исследователи выбрали сплав галлия и индия с температурой плавления 15 градусов. На воздухе галлий окисляется, и поэтому для удаления оксидной пленки капельку жидкого металла промыли соляной кислотой (HCl).

На поверхности металла много электронов, и поэтому на нем сформировался слой H⁺, выделившихся из кислоты. Поверх ионов водорода образовался слой из отрицательных противоионов, Cl^- и OH^-. Такое состояние называют двойным электрическим слоем, и этот слой полностью защищает металл от дальнейшего окисления. Затем в жидкость вокруг капли добавили тетратиомолибдат аммония (NH₄)₂MoS₄, после чего ионы [MoS₄]^2- стали замещать Cl^- и OH^- во внешнем электрическом слое. Взаимодействие с ионами водорода внутреннего слоя превратило MoS₄ в MoS₂ с примесью MoS₃.

После этого ученые перенесли монослой сульфидов молибдена на кремниевую подложку и слили металл. Оставалось только избавиться от примесей трисульфида: ученые восстановили его до дисульфида молибдена отжигом в водородной атмосфере при 500 градусах. Атомно-силовая микроскопия подтвердила, что материал действительно является двумерным кристаллом, пригодным для использования в электронике.

Авторы работы предполагают, что эта технология проще и более пригодна для массового производства двумерных материалов, чем химическое осаждение из газовой фазы. Таким образом можно получать пленки не только дисульфида молибдена, но и дихалькогенидов любых других переходных металлов.

Для создания массовой и дешевой техники из дисульфида молибдена необходимо, чтобы технологии его производства и обращения с ним были хорошо отработаны и удобны. Недавно ученые узнали, как и из-за чего возникают дефекты монослоя, а также придумали как быстро обнаружить такие дефекты в полевых условиях без электронного микроскопа.

Василий Зайцев