Jak interakce mezi vrstvami 2D polovodičových materiálů ovlivňují jejich mechanické vlastnosti a potenciál pro aplikace

Jedním z hlavních problémů při studiu mechanických vlastností 2D polovodičových materiálů (2D-SCM) je vliv mezivrstvových interakcí, zejména v heterostrukturách. Tyto materiály, které zahrnují například grafen nebo MoS2, vykazují výjimečné optické, elektrické a mechanické vlastnosti, které jsou vhodné pro širokou škálu aplikací, jako jsou fotonické a flexibilní elektronické zařízení. Nicméně, pro plné využití jejich potenciálu v těchto oblastech je kladeno velké důraz na pochopení, jak interakce mezi vrstvami ovlivňují jejich mechanické vlastnosti.

Bylo zjištěno, že výpočetní metody na bázi funkcionální teorie hustoty (DFT) s přiblížením generalizované gradientní aproximace (GGA) podhodnocují modul hustoty těchto materiálů. To znamená, že výpočetní hodnoty často ukazují nižší pevnost materiálů, než je skutečné měření, což může být problém při návrhu nových zařízení. Například u grafenu a CVD MoS2 byla naměřena pevnost, která byla o přibližně 5 % nižší než u exfoliovaných verzí těchto materiálů. To naznačuje, že mechanické vlastnosti zůstávají stabilní i při přítomnosti bodových defektů, což může být důležité při vývoji komerčně použitelných verzí těchto materiálů.

Heterostruktury tvořené různými 2D-SCM monovrstvami, které jsou vzájemně spojeny dlouhovýznamovými interakcemi, jsou považovány za nadějný směrem pro využití v optoelektronických zařízeních. Tyto heterostruktury vykazují vlastnosti, které jsou kombinací jednotlivých vrstev, což zvyšuje jejich funkčnost v zařízeních jako jsou fotodetektory nebo lasery. Nicméně vliv interakce mezi vrstvami na mechanické vlastnosti těchto heterostruktur není dosud dostatečně prozkoumán.

Existuje několik metod pro vyšetřování těchto interakčních sil, jako například výpočet posuvných Ramanových módů u homostruktur, například u grafenu, nebo měření síly potřebné k posunutí grafenové vrstvy pomocí AFM. Tato metoda, která měří adhezní energii mezi vrstvami, byla použitá i pro bilayer grafenové struktury, kde výsledky ukázaly na koeficient interakce mezi vrstvami, který byl například 0,227 J/m² pro grafen. Tento přístup je sice účinný pro homostruktury, ale pro heterostruktury, které mají kombinaci různých materiálů, je obtížnější použít kvůli složitosti jejich formace.

Pro zjišťování mechanických vlastností heterostruktur byly použity metody jako nanoindentace a měření elasticity bilayer materiálů. Tyto metody ukazují, že hodnota elastického modulu pro bilayer struktury je nižší, než by odpovídalo součtu elastických modulů jednotlivých monovrstv. To naznačuje, že mezi vrstvami dochází k posouvání, což má za následek nižší pevnost celé struktury. Důležitý je také faktor koeficientu interakce, který byl pro různé heterostruktury stanoven na hodnoty, jako je 0,80 pro MoS2-WS2, 0,75 pro MoS2-MoS2 a 0,69 pro MoS2-grafen.

Mechanické vlastnosti 2D-SCM mají i další aplikace, například v oblasti flexibilní elektroniky a senzorů. Kromě toho se tyto materiály uplatňují v mikromechanických zařízeních, jako jsou rezonanční systémy. Grafen se ukázal jako ideální materiál pro rezonanční zařízení díky své vysoké hodnotě Youngova modulu a velké povrchové ploše. Rezonanční vlastnosti jsou také pozorovány u dalších 2D-SCM, například MoS2, který vykazuje slibné vlastnosti pro použití v nanomechanických senzorech.

Jaké výhody přinášejí biosenzory založené na materiálech MOS?

Materiály na bázi kovových oxidů (MOS) se dnes používají v široké škále aplikací, včetně kontroly kvality, bezpečnostních technologií a hodnocení životního prostředí, což představuje oblast, která je stále vysoce relevantní a plná výzev. MOS materiály jsou zvláštní díky své morfologické všestrannosti, chemické stabilitě, fyzikálně-chemickým vlastnostem na rozhraní a schopnosti kombinovat se v kompozitních strukturách. Tyto vlastnosti jim dávají velký potenciál stát se silnou konkurencí na trhu biosenzorů. Mezi materiály, které byly v této oblasti intenzivně studovány, patří TiO2, WO3, SnO2 a ZnO. V tomto textu se zaměříme na jejich aplikace v biosenzorech, zejména v oblasti detekce biologických markerů.

Biosenzory na bázi MOS se staly oblíbenými díky svým vynikajícím vlastnostem, jako jsou flexibilita pro různé pracovní podmínky, vysoká energetická účinnost, dobrá citlivost a chemická stabilita v různých prostředích. I když v oblasti biosenzorů dominují monokomponentní MOS materiály, stále častěji se používají také vícekomponentní polovodiče nebo spojené polovodiče (např. kompozity, tandemové struktury, heterostruktury). Tyto materiály, často modifikované metalickými nanopartikulemi nebo dopované jinými kovy, vykazují zlepšení v určitém parametru, jako je citlivost nebo selektivita vůči detekovaným látkám.

Pojďme se podívat na některé konkrétní příklady aplikací materiálů MOS v biosenzorech.

TiO2 jako biosenzorový materiál

TiO2 je n-typový polovodič s vynikající chemickou stabilitou, biokompatibilitou a plastickými vlastnostmi z hlediska morfologie. Je široce využíván v aplikacích jako je fotokatalýza, biosenzory, fotovoltaika a skladování energie. Využití TiO2 v biosenzorech se zaměřuje na detekci biologických markerů, jako je microRNA nebo glukóza, pomocí senzorů, které jsou vylepšeny nanotechnologiemi, jako jsou Au nanopartikule. Technika dip-coating byla použita k získání TiO2 filmů, které slouží jako senzory pro různé analýzy. Tento materiál se ukázal být vysoce efektivní díky své schopnosti detekovat nízké koncentrace cílových látek.

SnO2 jako biosenzorový materiál

SnO2 je další velmi využívaný materiál v biosenzorech, který má vysokou povrchovou plochu, silnou biokompatibilitu a vysokou chemickou stabilitu. Tento materiál se využívá v různých aplikacích, včetně biosenzorů pro detekci peroxidu vodíku (H2O2), což je důležitý marker v biomedicínských analýzách. Díky své nontoxicitě a dobrým katalytickým vlastnostem je SnO2 ideálním kandidátem pro detekci široké škály biologických a chemických látek.

ZnO v biosenzorech

WO3 v biosenzorech

WO3 se používá v biosenzorech, které detekují různé biologické markery, jako je aflatoxin B1, bisfenol A nebo srdeční biomarker TroponinI. Tento materiál vykazuje různé krystalové struktury v závislosti na teplotě syntézy, od kubických po oktahedrické. Hydotermální metoda je běžně používána pro výrobu WO3 senzorů s různými morfologiemi, které umožňují detekci různých cílových látek.

MOS jako detektor plynů

MOS senzory jsou známé svou vysokou citlivostí, stabilitou, nízkými náklady, snadnou syntézou a nízkou spotřebou energie. Díky těmto vlastnostem jsou MOS materiály ideální pro detekci toxických plynů, jako je H2S, NO2, CO, ale také pro monitorování plynů v okolním prostředí, jako je O2, NH3, CO2 a O3. MOS senzory se opírají o teorii pásů a jejich odpor se mění v důsledku různých povrchových reakcí a kinetických procesů při vystavení cílícím plynům. Důležitým faktorem při vývoji vysoce citlivých senzorů je výzkum chemických interakcí mezi plynem a materiálem, který umožňuje přeměnu těchto reakcí na změny elektrického odporu senzoru.

MOS jako fotokatalyzátor

Tento rychlý přehled ukazuje, jaký potenciál mají MOS materiály v oblasti biosenzorů a dalších aplikací. Rozvoj nových technologií a metod syntézy těchto materiálů slibuje v budoucnosti ještě efektivnější a všestrannější využití v medicíně, ochraně životního prostředí a dalších oblastech. Kromě samotných vlastností materiálů je však zásadní věnovat pozornost i výzvám spojeným s jejich dlouhodobou stabilitou, citlivostí a selektivitou v různých prostředích, což je klíčové pro jejich širší implementaci v reálných aplikacích.

Jak využít 2D polovodičové materiály v elektronických zařízeních a tranzistorech

Pokročilé elektronické technologie stále častěji směřují k využívání 2D polovodičových materiálů (2D SCM), které představují slibné možnosti pro další miniaturizaci a zlepšení výkonu tranzistorů a integrovaných obvodů. Mezi běžně používané 2D SCM materiály patří WSe2, WS2, MoTe2, MoSe2 a ReSe2, přičemž každý z těchto materiálů vykazuje specifické elektrické a optické vlastnosti, které mohou být využity k dosažení lepšího výkonu elektronických zařízení. Charakteristiky těchto materiálů, jako je šířka zakázaného pásu (bandgap), se liší v závislosti na počtu vrstev a typu polovodiče, což umožňuje jejich specifické aplikace v tranzistorových technologiích.

Jedním z klíčových aspektů využití 2D SCM je jejich schopnost zlepšit výkon tranzistorů, jako jsou NMOS a PMOS tranzistory. V mnoha studiích bylo prokázáno, že použití 2D materiálů může vést k vylepšení parametru mobility elektronů a díry, což přímo ovlivňuje rychlost a energetickou účinnost tranzistorů. Například tranzistory na bázi MoS2, které se vyznačují dobrou mobilitou elektronů a nízkým podprahovým chováním, ukázaly slibné výsledky ve srovnání s tradičními materiály, jako je křemík.

Jedním z důležitých trendů je i integrace 2D SCM do vysoce integrovaných obvodů, které se skládají z tisíců tranzistorů. I když je stále relativně malý počet výzkumných studií zaměřených na výrobu kompletních mikroprocesorů z 2D polovodičových materiálů, některé úspěšné experimenty ukazují na potenciál těchto materiálů. Například Watcher et al. vyrobili mikroprocesor se 115 tranzistory z 2D MoS2, který je schopen provádět logické operace a komunikovat s periferními zařízeními. Takové aplikace jsou důkazem toho, že 2D materiály mohou v budoucnu hrát klíčovou roli v oblasti mikroelektroniky.

Další oblastí, která se rychle vyvíjí, je použití 2D materiálů pro výrobu paměťových zařízení, jako jsou memristory. Využití ionotropní technologie v kombinaci s 2D materiály, jako je WS2, umožnilo vytvoření paměťových zařízení s výbornými vlastnostmi, jako je vysoká kapacita pro uchovávání dat, stabilita a dlouhá životnost. Tato zařízení vykazují vynikající parametry, jako je vysoký poměr zhasnutí a obnovení, což je klíčové pro moderní paměťové technologie.

Pokud jde o dielektrické materiály, hexagonální nitrid boru (h-BN) se ukázal jako vynikající volba pro použití v dielektrických vrstvách v 2D zařízeních. Díky své vysoké dielektrické konstantě a dobré tepelné vodivosti může h-BN přispět k vylepšení výkonu tranzistorů a dalších elektronických komponent. Použití h-BN jako dielektrika v kombinaci s 2D SCM materiály, jako je MoS2, může umožnit lepší řízení a stabilitu elektrických vlastností, což je klíčové pro dosažení vyšší frekvence a spolehlivosti elektronických zařízení.

Výroba a integrace těchto materiálů do funkčních obvodů však není bez výzev. Přes veškerý pokrok v oblasti výzkumu a vývoje 2D polovodičových materiálů existuje stále řada technických překážek, jako je obtížnost kontrolovaného růstu materiálů, dosažení požadované kvality a dlouhodobé stabilita při vysokých pracovních teplotách. Kromě toho je nutné vyřešit i problémy s kontakty a interkonekty, které mohou výrazně ovlivnit výkon a efektivitu celých obvodů.