Российские физики упростили создание инновационных плёнок для солнечных батарей

Двумерные дихалькогениды переходных металлов, в частности, сульфида молибдена MoS2, представляют собой особый класс слоистых материалов, в которых соседние слои связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Это тонкие полупроводники, состоящие из переходного металла и халькогена. Один слой атомов металла располагается между двумя слоями атомов халькогена, в нашем случае халькоген — сера.

В большинстве случаев дихалькогениды существуют в виде плёнок, содержащих множество стабильных молекулярных слоёв с атомарно-гладкой химически инертной поверхностью, что и обусловливает ряд их выдающихся свойств. Такие плёнки представляют интерес для наноэлектронных и оптоэлектронных приложений в фотовольтаике, фотодетекторах и газовых сенсорах. С другой стороны, они могут быть получены и в существенно иной форме с высокой удельной поверхностью и высокой плотностью химически активных поверхностных состояний, что делает материал перспективным уже для применения в катализе, ионных батареях и суперконденсаторах.

Известны три кристаллические фазы MoS2: гексагональная (2H), ромбоэдрическая (3R) и тетрагональная (1T). Они отличаются разной координацией атомов серы по отношению к молибдену. А это, в свою очередь, определяет химические и электронные свойства материала. Фазы 3R и 1T метастабильны и при определённых условиях могут превращаться в 2H. Одной из отличительных особенностей 1T является повышенная каталитическая активность, что привлекательно, в частности, для реакций выделения водорода.

Получение фазы 1T в плёнках MoS2 является сложной задачей. Есть ряд известных механизмов его синтеза, но они все имеют свои недостатки. Например, метод эксфолиации может привести к появлению большого числа дефектов. Кроме того, образующаяся 1T-фаза с течением времени превращается в фазу 2H-MoS2, в том числе из-за слабого взаимодействия между соседними слоями серы. Для улучшения её стабильности было предложено легирование электронодонорными атомами металла, но промежуточный продукт LixMoS2 и интеркалятор являются токсичными материалами.

В связи с этим разработка технологического подхода, позволяющего получать сверхтонкие плёнки, состоящие из комбинации фаз 1T/2H, стабильные в широком диапазоне температур, представляет большой практический интерес.

Роман Романов, старший научный сотрудник Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ, поясняет: «Гетерогенные наноструктуры, состоящие из метастабильной тетрагональной и стабильной гексагональной фаз, весьма перспективны для широкого круга применений, включая катализ и ионные батареи, благодаря высокой электропроводности и каталитической активности. Однако контролируемый синтез стабилизированных плёнок на площади пластины является сложной задачей. Мы использовали специальные режимы MOCVD-роста с низкой концентрацией прекурсора молибдена и высоким соотношением концентраций серы и молибдена в газовой фазе, что позволило синтезировать ультратонкие плёнки в тетрагональной фазе».

В своей работе учёные МФТИ использовали метод металлоорганического химического осаждения из паровой фазы, позволяющий получать сверхтонкие плёнки MoS2, содержащие фазы 1T и 2H, и контролировать их соотношение за счёт легирования рением. В результате были получены плёнки Mo1−xRexS2 с долей 1T-MoS2 до ≈30%, относительно стабильные в нормальных условиях в течение длительного времени. Также было обнаружено, что концентрация рения существенно влияет на удельное сопротивление плёнки.

На первом этапе оксид рения осаждали в трёхзонной трубчатой печи, оснащённой кварцевой трубкой. Тигель, содержащий металлический рений, помещался в центр нагретой зоны трубки. Сапфировые подложки были размещены на краю нагреваемой области, где температура варьировалась от 240 до 130 °C. Печь нагревали до 310 °С и выдерживали при этой температуре 10 минут. Затем нагреватели выключили, давая печи остыть. На втором этапе процессы MOCVD проводились в реакторе на базе трёхзонной трубчатой печи. В качестве прекурсоров использовали гексакарбонил молибдена Mo(CO)6 и сероводород (H2S). Время выращивания варьировали от двух до шести часов для получения сплошных плёнок при различных скоростях потока. Дальше на отожжённые и обработанные сапфировые подложки осаждали MoS2.

Химическое состояние и состав плёнок анализировали методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Морфологию плёнок исследовали методом атомно-силовой микроскопии. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния света показали, что доля фазы 1T-MoS2 увеличивается с увеличением концентрации рения, насыщаясь при концентрации Re выше 5 атомных процентов.

Изготовленные гетерогенные плёнки 1T/2H-MoS2 оставались стабильными в условиях окружающей среды без ухудшения характеристик в течение как минимум четырёх месяцев и выдерживали отжиг в высоком вакууме при температуре 300 °C.

Исследования показали, что увеличение доли фазы 1T сильно влияет на удельное сопротивление плёнок. Такие плёнки могут представлять большой интерес для производства различных электронных устройств.