Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Четырехлетняя исследовательская программа данного проекта направлена на создание методов локализованного синтеза двумерных пленок дихалькогенидов переходных металлов (TMD) и устройств на их основе. Первый год работы посвящен синтезу пленок MoS2 и WS2. Более конкретно, работа, выполненная за первые 8 месяцев реализации проекта, была связана, во-первых, с характеризацией и оптимизацией жидких прекурсоров для получения пленок MoS2 и WS2; во-вторых, с пространственно-контролируемым синтезом и, в-третьих, с характеризацией этих пленок. Значительная часть исследований была посвящена использованию источников ионного и электронного пучков для облегчения локализованного синтеза двумерных материалов из single-source прекурсоров, которые могут быть нанесены на подложку методами спин-коатинга (метод вращающейся подложки) или dip-коатинга (погружение). С этой целью было проведено параметрическое исследование различных соединений прекурсоров для получения однородных пленок прекурсоров методом спин-коатинга на различных плоских подложках, а именно, для подложек из SiO2/Si, кварцевого стекла и сапфира. Следующим шагом было обеспечение совместимости пленок прекурсоров с вакуумными требованиями сканирующего электронного микроскопа (SEM) и установок, использующих сфокусированный ионный пучок (FIB), что было успешно реализовано. Были получены предварительные результаты ионной обработки пленок прекурсоров. Мощным методом локального синтеза TMD-материалов является прямой лазерный синтез из жидких single-source прекурсоров ((NH4)2MoS4 и (NH4)2WS4), которые были разработаны нашей исследовательской командой. С помощью этого метода лазерно-индуцированного синтеза был получен пространственно-селективный рост тонких пленок MoS2 и WS2 с контролируемой толщиной. Размер синтезированного материала связан с размерами облучающего лазерного луча. Важно, что этот метод включает этап "проявки", на котором любой избыток прекурсора, который не был частью процесса синтеза, может быть выборочно удален, таким образом, оставляя только синтезированную пленку на подложке. Пленки были охарактеризованы с помощью различных аналитических методов, включая спектроскопию комбинационного рассеяния света, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), профилометрию поверхности, оптическую и сканирующую электронную микроскопию. Рамановские спектры находятся в хорошем согласии с данными из литературы для пленок, выращенных другими методами. Рамановская спектроскопия также показала, что толщина синтезированных микрокристаллических пленок MoS2 и WS2 зависит от условий лазерного облучения. Прямые измерения толщины - профилометрия щупом - подтвердили результаты исследований, полученные при помощи комбинационного рассеяния. Таким образом были получены пленки MoS2 с малым количеством слоев и однослойные пленки WS2. XPS-cпектроскопия показала незначительный недостаток серы и умеренное содержание оксида. Микроскопия показала получение непрерывных пленок с хорошим прилеганием к подложке. Контроль толщины был дополнительно подтвержден изменением оптической плотности в зависимости от условий синтеза. Наконец, при определенных условиях изготовления наблюдались лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (LIPSS), которые могут быть использованы для увеличения функциональности различных устройств. Дальнейшая обработка пленок, которые были изготовлены на различных подложках, включала осаждение металлических электродов для облегчения оценки электрических характеристик (проводимость, подвижность зарядов и т.д.), фотоотклика и исследования применимости лазерно-синтезированных TMD-материалов для изготовления электронных устройств. Предварительная электрическая характеризация проводилась с помощью измерения линий пропускания (TLM) для исследования проводимости пленок в зависимости от условий лазерного синтеза. Полученные результаты хорошо согласуются с данными по исследуемым материалам, имеющимися в литературе. Наконец, для дальнейшего исследования электронного отклика и свойств переноса заряда исследуемым материалом, а также для создания основы различных будущих сенсорных продуктов на основе данных популярных двумерных материалов, был изготовлен полевой транзистор, использующий пленку MoS2, полученную методом лазерной печати. Результаты исследований в рамках этой рабочей программы вошли в несколько научных публикаций, одна из которых в настоящее время близка к принятию (стадия minor revisions) в журнале Q1 (Optical Materials: X), одна находится на рассмотрении в журнале Solid State Sciences, а часть результатов готовится к публикации.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течение второго периода реализации проекта была продолжена работа, начатая в предыдущем году, по росту однокомпонентных TMD-материалов (MoS2 и WS2) с использованием прямого лазерного облучения. В соответствии с планом исследований, прямое лазерное облучение использовалось для получения многокомпонентных пленок либо путем наслоения (для получения гетероструктур), либо путем создания композитных прекурсоров (для получения соединений). Соединения: Основным достижением этого периода исследований является демонстрация контроля стехиометрии соединений посредством регулировки парциальных концентраций single-source прекурсоров в композитной смеси. Парциальная концентрация каждого прекурсора отражается на конечном составе пленки соединения. Характеристики соединений, полученных с помощью разработанного в проекте метода, были сопоставлены с имеющимися в литературе данными. Сравнение позволило заключить, что изготовленный материал сопоставим с материалами, произведенными конкурирующими методами синтеза, отличающимися при этом высокой сложностью. Отдельным преимуществом пленок, полученных методом прямого лазерного синтеза, является легкость их микроструктурирования, поскольку структурирование (паттернирование) является частью процесса изготовления. Чтобы проиллюстрировать эту возможность, было выполнено структурирование синтезированных треков Mo(x)W(1-x)S2 в свободной форме. При исследовании пленок с помощью различных аналитических методов удалось получить знания о некоторых аспектах разработанного метода синтеза, особенно о критически важной точности наложения, необходимой для получения однородных пленок большой площади (методом растрового сканирования). При рассмотрении отдельных однодорожечных микроструктурированных пленок было обнаружено, что могут быть получены 4-5-слойные пленки с относительно большим размером зерна и с ожидаемой стехиометрией. Другим важнейшим результатом текущего периода реализации проекта является изготовление фотодетектора на основе полупроводникового соединения Mo(x)W(1-x)S2. Были оценены характеристики фотодетектора (чувствительность и временной отклик), работающего в фотопроводящем режиме, в зависимости от стехиометрии соединений. Гетероструктуры: Для наложения и формирования гетероструктур был проведен последовательный синтез однокомпонентных дорожек TMD (MoS2 и WS2). Гетероструктуры образуются при пересечении двух однокомпонентных дорожек, последовательность которых можно варьировать. Гетероструктуры были охарактеризованы методом рамановской спектроскопии. Было показано, что на характеристики структуры могут влиять условия лазерного синтеза. В настоящее время проводится дальнейший наноструктурный анализ, за которым последует электрическая характеризация для изучения предполагаемого образования p-n-перехода между двумя полупроводниками. Синтез пленок TMD с высоким разрешением: Термическое разложение single-source прекурсоров из тиосолей Mo и W происходит в последовательных стадиях (зависящих от температуры). Интересно, что на первом этапе процесса, требующем низкой температуры, образуется MS3 (где M обозначает металл), представляющий собой аморфное вещество, устойчивое к органическим растворителям. MS3 может быть преобразован в кристаллический MS2 с помощью последующей обработки. Данный этап первичного преобразования был использован для получения субмикронных элементов TMD-материалов на основе этих прекурсоров двумя различными методами. Интерферометрическая запись: Пленка прекурсора облучалась интерферометрическим паттерном, состоящим из периодической модуляции интенсивности лазерного излучения с субмикронным периодом. Облученный прекурсор частично преобразуется (в максимумах интенсивности лазера), затем «проявляется» в органических растворителях для удаления избытка прекурсора и, наконец, снова подвергается пост-облучению для полного преобразования в TMD-материал. Были получены элементы с шириной ~ 400 нм. Электронно-лучевая запись: Пространственно-селективное облучение пленок тиосолевых прекурсоров электронным лучом, как и в предыдущем случае с использованием лазерного луча, позволяет частично преобразовать прекурсор. Используя преимущества сверхтонкой фокусировки, которая может быть достигнута с помощью электронного пучка, удалось получить отдельные элементы шириной до ~300 нм. Как и ранее, частично преобразованный материал может быть полностью преобразован с помощью последующей обработки.