Обнаружены замечательные токопроводящие свойства некоторых дисульфидов металлов

Исследуя атомное строение двумерных материалов, ученые нашли, что на границах зерен – областях между монокристаллами в поликристаллических дисульфидах металлов, возникают металлические, токопроводящие области шириной лишь в доли нанометра. По сути дела речь идет о субнаноразмерах, так как такая ширина характерна для цепочек из отдельных атомов.

В процессе изучения структурных дефектов в двумерных полупроводниках изначально большое внимание уделялось графену – одной из аллотропных модификаций углерода, построенному из плоскостей толщиной в атом. Но плоский графен не имеет запрещенной зоны, поэтому электроны в нем, как в металле, перемещаются беспрепятственно во всем объеме.

В отличие от графена, полупроводниковые материалы молибден/сера и вольфрам/сера обладают запрещенной зоной шириной порядка 2эВ. И хотя в первом приближении эти соединения двумерны, энергетически их атомам более выгодно располагаться в шахматном порядке с атомом металла, находящимся посередине между атомами серы над и под ним. Такая конфигурация посредством ковалентных связей формирует гексагональную кристаллическую решетку типа «соты».

Для получения дисульфидов металлов обычно используется химическое осаждение из пара. В процессе осаждения атомы сначала образуют цепочки, а затем плоскости. В месте «стыка» цепочек (или плоскостей) не обязательно происходит их выравнивание. Цепочки, напротив, могут оказаться ориентированы друг относительно друга под произвольными углами. В кристаллографии места «стыков» называют границами зёрен, а области нарушения правильного чередования атомов вдоль некоторой линии - дислокациями. Именно дислокации часто определяют электрические и оптические свойства материала.

Теоретический расчет кристаллической решетки дисульфидов металлов показал, что областями дислокаций в них являются места «стыка» плоскостей. Кроме того, каждая граница зерна имеет множество подобных дислокаций. Растущие атомные плоскости могут состыковываться под различными углами, но поскольку сами плоскости обладают полупроводниковыми свойствами, границы между ними чаще всего задерживают электрические сигналы. Однако при стыковке под особым углом в 60 градусов периодические дислокации близки настолько, что оказываются способными передавать электрические сигналы одна от другой вдоль границы. Таким образом, в массиве полупроводника появляются одномерные, состоящие из цепочек атомов металла токопроводящие области, ширина которых всего несколько ангстрем. Поэтому дисульфиды металлов могут найти широкое применение в электронных устройствах на основе материалов с пониженной размерностью.