Disulfid molybdénu (MoS2) je vrstvený materiál, ktorý možno pripraviť vo forme jednej alebo len niekoľkých vrstiev. Vďaka svojim zaujímavým vlastnostiam a širokej škále možných aplikácií je tento materiál predmetom rozsiahleho štúdia. Vrstvené materiály majú schopnosť interkalovať atómy a katióny do svojich van der Waalsových medzier. Interkalácia je jedným zo spôsobov, ako ovplyvňovať ich fyzikálne, chemické a elektronické vlastnosti.
Jedným z kovov používaných na dopovanie MoS2 je lítium. Pozitívny vplyv lítia sa už ukázal pri zvýšenom katalytickom výkone MoS2 vrstiev dopovaných lítiom pri produkcii vodíka a redukcii CO2. Dopovanie lítiom má tiež potenciál zlepšiť technológiu lítiových batérií. Vplyv lítia na rast MoS2 vrstiev však doteraz nebol úplne preskúmaný.
V našej práci sme použili nový prístup na zabudovanie lítia do MoS2 vrstiev. Na výrobu MoS2 používame jednozónovú sulfurizáciu vopred nanesených molybdénových vrstiev. A na dodanie lítia do nich sme časť síry nahradili práškom sulfidu lítneho.
Identifikácia prítomnosti lítia vo vzorke je veľmi zložitý problém. Existuje len niekoľko metód, ktoré umožňujú jeho detekciu. Jednou z týchto metód je XPS s vysokým rozlíšením a s laditeľnými fotónovými energiami v rozsahu mäkkých röntgenových lúčov (100 až > 600 eV). Merania sa uskutočnili na BACH beamline CNR v zariadení Elettra synchrotron (Terst, Taliansko). Experimentálne vybavenie nám umožnilo nielen potvrdiť a kvantifikovať lítium vo vzorkách a ich dlhodobú stabilitu, ale vďaka absorpčnej spektroskopii (absorption near-edge structure spectroscopy XANES) spojenej s výpočtami sme boli schopní potvrdiť polohu lítia v oktaedrických a tetraedrické intersticiálnych polohách.
Štrukturálne analýzy ukazujú pozoruhodný účinok lítia, a to podporu epitaxného a horizontálneho rastu vrstiev. Po žíhaní v prítomnosti Li majú MoS2 vrstvy tendenciu rásť horizontálne aj pre hrubšie počiatočné vrstvy molybdénu. Najprekvapivejším pozorovaním je konverzia vertikálnych MoS2 vrstiev na horizontálne po žíhaní v prítomnosti Li. Predpokladáme, že lítium pôsobí ako katalyzátor uľahčujúci túto konverziu. V našej práci demonštrujeme, že pomocou dopovania lítiom je možné meniť orientáciu bazálnej roviny MoS2 vo veľmi tenkých vrstvách. Ako už bolo ukázané, vertikálne a horizontálne orientované vrstvy vykazujú odlišné elektronické, chemické a optické vlastnosti. Kontrola nad kryštalografickou orientáciou MoS2 bude teda rozhodujúca pri navrhovaní zariadení novej generácie obsahujúcich vrstvy MoS2.
(a) Li K-edge XANES experimentálne spektrá pre Li dopovaný 2H-MoS2.
(b) Li K-edgeXANES spektrá získané výpočtami FEFF. Hore: fragmenty štrukturálnych modelov pre hexagonálny 2H-MoS2 s atómami v tetraedrických a oktaedrických intersticiálnych miestach, substitučne dopovaným MoS2 a s lítiom v blízkosti atómu síry. Stred: simulované Li K-edge XANES spektrá. Dole: vypočítaná orbitálna projektovaná hustota stavov pre Li, S a Mo atómy.
(c) Mo 4s a Li 1s XPS spektrá zo vzoriek MoS2 dopovaných Li.
Autori: M. Sojková, J. Hrdá, T. Vojteková, L. Pribusová Slušná, P. Nádaždy, E. Dobročka, M. Hulman