Дисульфид молибдена – один из важнейших с технологической точки зрения двумерных материалов, отличающийся большими перспективами с точки зрения целого ряда практических приложений. Как показали результаты последней работы совместной группы ученых из США, Индии и Китая, этот материал, проявляющий при обычных условиях полупроводниковые свойства, может становиться металлом при высоких давлениях. В перспективе данное открытие поможет разрабатывать более эффективные датчики давления, переключатели и преобразователи, как для обычных, так и для гибких электронных цепей.

Двумерные материалы, к примеру, дисульфид молибдена, вызывают огромный интерес ученых по всему миру, поскольку они обладают свойствами, принципиально отличающимися от своих трехмерных аналогов.

В перспективе они могут найти применение во множестве новых устройств, в частности, в рамках маломощных электронных схем, дешевых или гибких дисплеев, всевозможных сенсоров и даже в гибких электронных компонентах, которые могут наноситься на самые разные поверхности.

Наиболее известный двумерный материал – графен, представляющий собой лист атомов углерода толщиной в один атом. В последнее время большой интерес также вызывают дихалькогениды переходных металлов – так называемые, ван-дер-ваальсовы структуры, имеющие химическую формулу МХ2, где М – переходной металл, а Х – халькоген.

Дисульфид молибдена – один из представителей группы дихалькогенидов переходных металлов.

Многослойный дисульфид молибдена проявляет полупроводниковые свойства, имея ширину запрещенной зоны около 1,2 эВ. Он состоит из трехслойных плоскостей, каждая из которых состоит из одной плоскости переходного металла молибдена в центре «сендвича» и двух закрывающих его с разных сторон плоскостей серы.

Контактирующие слои серы в дисульфиде молибдена слабо связаны между собой, а значит, материал должен испытывать фазовый переход, если к нему применяется высокое давление.

Совместной группе ученых из University of Texas (США), Indian Institute of Science (Индия) и Chinese Academy of Sciences (Китай) удалось наблюдать этот переход на практике.

По словам ученых,

они могут превратить многослойный полупроводниковый дисульфид молибдена в металл, применяя давление около 19 ГПа. По мнению исследователей, переход происходит, благодаря перекрытию валентной зоны и зоны проводимости в материале (что возможно, благодаря уменьшению расстояния между слоями серы в многослойном дисульфиде молибдена).

Ученые получили свои результаты, благодаря повышению давления на дисульфид молибдена в так называемой алмазной ячейке. По мере увеличения давления до 35 ГПа, измерялись оптические, структурные и электронные свойства материала.

Поскольку алмаз прозрачен, ученые могли наблюдать преобразования при помощи рамановской и рентгеновской дифракционной спектроскопии. Согласно полученным данным, решетка дисульфида молибдена начинала искажаться после приложения давления около 10 ГПа, а переход к металлической фазе переходил при давлении в 19 ГПа.

Резкое падение сопротивления материала в этот момент было подтверждено измерениями зависимости удельного сопротивления от температуры.

По мнению ученых,

полученные ими результаты в перспективе помогут сделать новые устройства на основе дисульфида молибдена, в которых давление обеспечит контроль ширины запрещенной зоны и настройку оптоэлектронных свойств. В частности, такие особенности могут использоваться при разработке датчиков давления, переключателей и преобразователей для жесткой и гибкой электроники.

В данный момент команда занята исследованием аналогичных процессов в монослое дисульфида молибдена. В будущем планируется также изучить физику гибридных структур на основе дисульфида молибдена и графена.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.