Исследователи выявили уязвимость многообещающего двумерного полупроводника к воздействию воздуха, что привело к открытию нового катализатора.
Ученым из НИТУ «МИСиС», Венгерской академии наук, Университета Намюра (Бельгия) и Корейского научно-исследовательского института впервые в мире провели подробное изучение изменений в структуре двумерного дисульфида молибдена под воздействием окружающей среды в течение продолжительного времени.
Полученные сведения ограничивают возможности его использования в микроэлектронике, однако расширяют горизонты применения двумерных материалов в качестве катализаторов. Результаты исследования были опубликованы в международном научном журнале Nature Chemistry.
Дисульфид молибдена (MoS2) благодаря своим свойствам, данный материал представляется многообещающей основой для создания миниатюрных электронных приборов, включая высокочастотные детекторы, выпрямители и транзисторы, поэтому его нанопленка — двумерная структура — активно исследуется учеными во всем мире. Тем не менее, недавнее исследование, проведенное научным коллективом из НИТУ «МИСиС», выявило, что этот двумерный материал подвержен интенсивному окислению на воздухе, что приводит к его трансформации в иное 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.
«Впервые в мире экспериментально подтверждено, что однослойный дисульфид молибдена в обычных условиях окружающей среды подвергается значительной деградации, окисляется и трансформируется в твердый раствор MoS 2-xOx. По словам руководителя исследования, ведущего научного сотрудника лаборатории «Неорганические наноматериалы», доктора физико-математических наук Павла Борисовича Сорокина, функциональность двумерного полупроводника без дефектов и потерь может быть реализована другим материалом, имеющим аналогичную структуру — диселенид молибдена.
В ходе эксперимента образцы дисульфида молибдена в виде двумерных слоев, полученные методом ультразвукового расслоения кристаллов, находились в условиях окружающей среды – при комнатной температуре и нормальном освещении – в течение длительного периода (более полутора лет). В течение этого времени велось наблюдение за изменениями, происходящими с поверхностью структуры.
«Использование туннельной микроскопии позволило нам наблюдать изменения структуры кристаллов двумерного дисульфида серы на атомарном уровне в течение продолжительного воздействия окружающей среды. В ходе исследования было установлено, что материал, который ранее считался устойчивым, демонстрирует спонтанное окисление, затрагивающее первоначальную кристаллическую структуру монослоев MoS 2 сохраняется с образованием твердых растворов MoS2-xOx. Наше моделирование выявило вероятный механизм формирования данных твердых растворов, причем теоретические расчеты продемонстрировали превосходное соответствие экспериментальным данным», — сообщил один из соавторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» Захар Попов.
«Вторым важным результатом исследования стало обнаружение того, что монослой дисульфида молибдена трансформируется в новый материал – двумерные кристаллы твердого раствора MoS 2-xOx, — это эффективный катализатор электрохимических процессов», — заключает Павел Сорокин.