Ученые показали беззащитность перспективного двумерного полупроводника перед воздухом — и открыли новый катализатор.
Дисульфид молибдена
Международному коллективу ученых из НИТУ «МИСиС», Венгерской академии наук, Университета Намюра (Бельгия) и Корейского научно-исследовательского института впервые в мире удалось детально проследить изменение структуры двумерного дисульфида молибдена при длительном воздействии окружающей среды.
Новые данные сужают область его потенциального применения в микроэлектронике и одновременно открывают новые перспективы использования двумерных материалов в качестве катализатора. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Nature Chemistry.
Дисульфид молибдена (MoS2) рассматривается в качестве перспективной основы для множества сверхмалых электронных устройств, таких как высокочастотные детекторы, выпрямители, транзисторы, поэтому его двумерный формат — нанопленка — активно изучается научными коллективами по всему миру. Однако новое исследование научного коллектива из НИТУ «МИСиС» показало, что этот двумерный материал столь значительно окисляется на воздухе, что превращается в другое соединение.
Электронное устройство с использованием пленки MoS2 без специфической защиты просто перестанет работать в короткие сроки — соответственно, для потенциального применения в микроэлектронике его обязательно нужно капсулировать.
«Нам впервые в мире удалось экспериментально доказать, что однослойный дисульфид молибдена в условиях окружающей среды сильно деградирует, окисляется и превращается в твердый раствор MoS2-xOx. Функционал двумерного полупроводника без дефектов и потерь может осуществить другой материал со сходной структурой — диселенид молибдена», — рассказывает руководитель исследования ведущий научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» доктор физико-математических наук Павел Борисович Сорокин.
В эксперименте двумерные слои дисульфида молибдена, полученные в результате расслоения кристаллов дисульфида молибдена при помощи ультразвука, выдерживались в условиях окружающей среды — при обычной комнатной температуре и освещении на протяжении долгого срока (более полутора лет), в течение которого проводилось наблюдение изменения структуры его поверхности.
«Благодаря применению туннельной микроскопии, нам удалось отследить структурные изменения кристаллов двумерного дисульфида серы на атомарном уровне при длительном нахождении в условиях окружающей среды. Мы обнаружили, что материал, считавшийся ранее стабильным, подвержен спонтанному окислению, при этом изначальная кристаллическая структура монослоев MoS2 сохраняется с образованием твердых растворов MoS2-xOx. Проведенное нами моделирование позволило предложить механизм образования таких твердых растворов, при этом результаты теоретических расчетов отлично совпали с экспериментальными измерениями», — рассказывает один из соавторов исследования старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» Захар Попов.
«Второе ключевое открытие исследования — то, что новый материал, в который превращается монослой дисульфида молибдена — двумерные кристаллы твердого раствора MoS2-xOx, — это эффективный катализатор электрохимических процессов», — заключает Павел Сорокин.
