Naši kolege Marin Petrović i Marko Kralj u suradnji sa kolegama s više institucija (Sveučilišta u Siegenu, Kölnu i Münsteru u Njemačkoj, te Sveučilišta King Abdullah u Saudijskoj Arabiji) objavili su članak u prestižnom časopisu ACS Nano, na temu kontrolirane sinteze dvije različite faze jednoslojnog tantalovog sulfida.

Two Phases of Monolayer Tantalum Sulfide on Au(111)

D. Dombrowski, A. Samad, C. Murray, M. Petrovic, P. Ewen, T. Michely, M. Kralj, U. Schwingenschlögl, C. Busse, ACS Nano 15, 13516-13525 (2021).

DOI: 10.1021/acsnano.1c04249

Interes za atomski tanke dihalkogenide prijelaznih metala (TMD), općenite stohiometrije MX₂ (gdje M označava metalni atom, a X halkogeni atom), početno je bio usmjeren na poluvodičke sisteme koji imaju direktni energetski procjep, što je od značaja za razvoj primjena u elektronici i fotonici. Međutim TMD monoslojevi su polimorfni, pri čemu je poluvodička ili metalna MX₂ faza asocirana sa takozvanim 2H, odnosno 1T strukturnom fazom. Pored toga, nedavno su se počele razmatrati i nestehiometrijske izvedenice, primjerice one obogaćene metalom ili osiromašene halkogenim elementom. Kako se radi o atomski tankim materijalima, takve promjene u strukturi induciraju značajne  modifikacije svojstva različitih TMD materijala. To je trenutno tema od fundamentalnog značaja, koju treba istražiti za razvoj budućih primjena. Zbog sličnosti kristalnih rešetki nestehiometrijske i stehiometrijske faze, javlja se mogućnost razvoja naprednih lateralnih heterostruktura s dobro definiranim i oštrim granicama faza.

U ovom radu, podešavajući uvjete sinteze jednoslojnog tantal-sulfida na Au(111) površini u metodi epitaksije molekularnog snopa (MBE), prvenstveno količinu sumpora, sintetizirana je stehiometrijska 2H-TaS₂ i nestehiometrijska sumporom siromašnaTaS faza. Oslikavanjem metodom pretražne tunelirajuće mikroskopije (STM), moguće je jasno razlučiti razliku kontrasta kao i granicu između dviju faza (slika 1). U atomski razlučivim topografijama obje faze pokazuju heksagonalnu strukturu, međutim, s razlikama koje su lako usporedive sa proračunima i simulacijama funkcionala gustoće (DFT). To omogućuje identifikaciju TaS faze kao sumporom osiromašene faze kojoj u odnosu na 2H-TaS₂ fazu nedostaje cijeli jedan sloj sumpora, i to onaj orijentiran prema Au(111) površini.

Slika 1. STM topografija tantal sulfida na površini zlata (a) Otoci TaS₂ (smeđe, oznaka δ) i TaS (žuto, oznaka β) na Au(111) (plavo). (b,c) Uvećani prikazi TaS₂ i TaS faza u atomskoj reoluciji. (d,e) DFT simulacije STM topografije TaS₂ i TaS faza.

Nedostatak sumpora znatno mijenja međudjelovanje tantal sulfida i podloge, a zbog razlike u konstantama rešetke i prisutnosti moiré strukture,  dolazi do dodatnog izvijanja TaS sloja. Svi navedeni faktori uzrokuju pojačano međudjelovanje s podlogom, što uključuje i djelovanje periodičkog potencijala. Taj potencijal  vodi na značajan pomak površinskog stanja Au(111) na više vezivne energije, te inducira formiranje replika tog površinskog stanja. Ti efekti jasno su vidljivi pomoću kutno razlučive fotoelektronske spektroskopije (ARPES) (slika 2). Dodatne razlike u elektronskoj strukturi vidljive su i u spektroskopiji pomoću STM-a (STS), čime se razlučuje elektronska struktura i stanja iznad Fermijeve energije.

Slika 2. ARPES karakterizacija (a) TaS₂ i (b) TaS na Au(111). Mogu se razaznati pomaci površinskog stanja zlata, kao i pojava novih elektronskih vrpci karakterističnih za pojedini sistem.

Naši rezultati značajni su za buduće napore u inženjeringu različitih nestehiometrijskih TMD faza, pri čemu se sumporom osiromašena TaS faza istražena u ovom radu može primijeniti kao dobar kontakt s metalnom elektrodom, a  može lateralno dobro vezati sa poluvodičkom 2H-TaS₂ fazom.