Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ выделили типы и описали правила роста вертикальных структур MoS₂. Это открывает путь к использованию вертикальных нанолистов дисульфида молибдена в технологиях гибкой и печатной электроники.
Вертикально ориентированные слои дисульфида молибдена (MoS₂) — перспективный материал для сенсоров, катализаторов и оптоэлектроники будущего. Однако сложная и изменчивая геометрия таких структур долго не позволяла надежно связывать условия их роста с конечными свойствами. Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами решили эту проблему, создав универсальную систему классификации. Они выделили четыре четких типа структур и описали их измеримыми параметрами, что впервые позволяет не просто наблюдать, а целенаправленно получать материал с заданными оптическими свойствами, точно настраивая температуру и положение подложки при росте. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант №24-12-00225) и опубликовано в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.
Высокая удельная площадь поверхности вертикальных нанолистов дисульфида молибдена MoS₂ делает их идеальными для задач катализа, электролиза, хранения энергии и создания чувствительных сенсоров. Эти структуры, напоминающие лепестки цветов, вызывают интерес и в оптике, демонстрируя необычные свойства поглощения и рассеяния света, что открывает путь к новым фотонным устройствам.
Однако несмотря на множество работ по синтезу вертикально ориентированных слоев MoS₂, их результаты трудно сопоставимы. Большинство исследований ограничивались анализом отдельных нанолистов — измерялись их толщина, длина или высота. При этом сами структуры рассматривались по сути как набор «одиночек». Такие подходы почти не учитывали, как эти нанолисты взаимодействуют между собой в массивах, и какую роль играет их кривизна или взаимное расположение.
Исследователи из лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с сотрудниками из других вузов поставили перед собой задачу: разработать целостный подход, позволяющий сравнивать данные из разных исследований, проводить системный анализ морфологии и прогнозировать ее влияние на свойства материала.
«В разных условиях синтеза формировались самые разнообразные структуры, сравнивать их было необходимо уже на этапе наладки процесса. Описать линейные размеры отдельных нанолистов было просто, но с подбором специальных параметров и параметров для всего массива возникли трудности,— рассказала инженер лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Полина Уймина.— В поисках решения я спросила у хорошей знакомой, сотрудницы лаборатории генетики растительно-микробных взаимодействий, может ли она мне дать наводку на подходы к анализу строения сложных структур. Она обратила мое внимание на описание цитоскелетов. Так в оценке наноструктур появился индекс кривизны».
В итоге исследователи разработали единый «язык» для описания многообразия форм вертикально ориентированного MoS₂, позволяющий с достаточной полнотой охарактеризовать геометрию нанолистов, и выделили несколько характерных типов структур, значимо различающихся по морфологии и свойствами. Они ввели количественные параметры: число структурных элементов на единицу площади, индекс кривизны (показывающий, насколько лист прямой), краевую и равновесную плотности структуры, а также усредненную высоту листов. Это позволило разделить все многообразие вертикальных структур на четыре основных типа — от тонких скрученных «лепестков» (тип А) до почти сплошных пленок (тип D).
Рисунок 1. Синтезированные структуры (тип A — тип D). Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, показывают характерные особенности каждой структуры в мелком и крупном масштабах, а также их поперечные сечения. Источник: Materials Science in Semiconductor Processing
Имея подход к описанию данных, ученые приступили к их систематизации. В том числе было выявлено, что по мере повышения температуры роста, «лепестки» распрямляются и становятся длиннее, а расстояние между ними растет. В ходе экспериментов исследователи доказали, что, задав температуру роста и положение образца, можно не только добиться воспроизводимого синтеза конкретного типа, но и настроить желаемые свойства материала.
Рисунок 2. Диаграмма, показывающая, как температура (T) и положение подложки (A) определяют тип выращиваемой структуры. Плавное изменение параметров позволяет целенаправленно получать нужный морфологический тип. Источник: Materials Science in Semiconductor Processing
Каждый тип структуры продемонстрировал уникальные «способности», напрямую вытекающие из его формы. Так, тип A может быть потенциально применен в катализе и сенсорике, тип D — в трибологии. Тип B, помимо высокой удельной площади поверхности, перспективных для катализа и сенсорики, интересен и проявлением высокого поглощения (более 99%) в оптической области спектра до 700 нм. Ученые связывают это с уникальной архитектурой типа B: слегка изогнутые листы с мелкими ответвлениями. В свою очередь, в спектре отражения типа С четко проявляются два максимума отражения в ближнем инфракрасном диапазоне (около 800 и 1300 нм), что может быть перспективно для создания селективных оптических фильтров и высокочувствительных плазмонных сенсоров.
Важно, что материал с уникальными свойствами можно не только выращивать «на месте», но и переносить для интеграции в устройства. В работе также описаны первые эксперименты по переносу таких структур на вспомогательные подложки через суспензии. Ученые показали, что, аккуратно отделяя выращенные массивы от исходной кремниевой пластины и диспергируя их в изопропаноле, можно наносить отдельные фрагменты структур на другие поверхности, например на стекло с проводящим покрытием. Это позволило оценить потенциал сохранения морфологии и, что критически важно, оптических свойств (таких как фотолюминесценция) при переносе. Подобные манипуляции открывают путь к использованию вертикальных нанолистов MoS₂ в технологиях гибкой и печатной электроники.
В работе кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Алферовского университета, Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого, Научно-исследовательского центра новых технологий, XPANCEO (ОАЭ), Пермского национального исследовательского политехнического университета, Института минералогии Южного Урала УроРАН, Ереванского государственного университета и Санкт-Петербургского государственного университета.
Научная статья: Polina G. Uymina, Maria A. Anikina, Anastasiya B. Speshilova, Valeriy M. Kondratev, Elizaveta P. Karaseva, Stanislav V. Shmakov, Alexey Kuznetsov, Alexander V. Syuy, Artem A. Osipov, Maxim V. Mishin, Alexey D. Bolshakov; Blossoming layers: Morphological engineering of vertically aligned MoS₂ sheets; Materials Science in Semiconductor Processing, 2025; DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109906.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
