Jak struktura a jevy molekulárních orbitalů ovlivňují elektronické vlastnosti dvourozměrných polovodičů?

Dvourozměrné materiály, především dvourozměrné polovodiče, se v posledních letech staly jedním z nejvíce zkoumaných a slibných směrů ve vědeckém výzkumu. Mezi těmito materiály dominuje grafen, jehož vlastnosti i aplikace vyvolávají obrovský zájem. Zatímco grafen a další dvourozměrné polovodiče vykazují celou řadu unikátních a fascinujících vlastností, klíčovým faktorem, který tyto materiály odlišuje od tradičních třírozměrných materiálů, jsou jejich elektronické vlastnosti, které jsou ovlivněny specifickými fenomény jako je delokalizace molekulárních orbitalů (MO) a efekt skladování vrstev.

Delokalizace molekulárních orbitalů je jev, při kterém se elektronová hustota v materiálu rozprostírá přes více atomů díky vzájemnému překrývání atomových orbitalů. Tento jev je pro dvourozměrné polovodiče zásadní, neboť zásadně ovlivňuje jejich elektronickou strukturu a elektrické vlastnosti. Delokalizace elektronů zvyšuje mobilitu nosičů náboje, což vede k lepší vodivosti, a to jak v horizontálním, tak vertikálním směru. V materiálech s takovou delokalizací se mohou objevit zajímavé jevy jako například inženýrství zakázaného pásu, což umožňuje přizpůsobit vlastnosti materiálu pro konkrétní aplikace v elektronice a optoelektronice.

Stejně tak je důležitý efekt skladování vrstev, tedy vzorců, jakým jsou jednotlivé vrstvy dvourozměrných materiálů umístěny jedna na druhou. Tento efekt může výrazně ovlivnit elektronickou strukturu materiálu, což se projevuje v nových formách interakcí mezi vrstvami, včetně vytváření interkalovaných excitonů, což jsou elektronické excitace zahrnující elektrony a díry ve vrstvách sousedících materiálů. Tento jev přispívá k nové oblasti výzkumu, která se zaměřuje na vytváření heterostruktur dvourozměrných polovodičů, což může vést k novým fyzikálním jevům a aplikacím, jako jsou fotonické a spintronické komponenty.

Skladování vrstev v dvourozměrných materiálech může vytvářet rozmanité elektronické struktury v závislosti na orientaci a interakci mezi sousedními vrstvami. Tento fenomén umožňuje tunování vlastností materiálu, což je klíčové pro přizpůsobení specifických aplikací, jako jsou tranzistory s velmi nízkou spotřebou energie nebo optoelektronické zařízení. Ovlivnění elektronických stavů vrstvami, jakými jsou kvantová uzávěra nebo uspořádání atomů v sousedních vrstvách, může vést k dramatickým změnám v elektronické struktuře, což má dalekosáhlé důsledky pro design nových zařízení.

Pro aplikace v elektronice jsou takové materiály velmi slibné, neboť mohou mít specifikované elektrické vlastnosti pro každou jednotlivou vrstvu. To umožňuje vytvoření nových typů zařízení, kde je každá vrstva materiálu zodpovědná za určitou funkci, například pro optické vlastnosti, vodivost nebo jiný typ interakce s okolím. Tento přístup vytváří nové možnosti pro miniaturizaci elektronických zařízení, což je klíčové pro další rozvoj moderních technologií.

Rovněž je nezbytné se zaměřit na vliv procesních parametrů při syntéze těchto materiálů. Parametry, jako je teplota procesu nebo typ použitého substrátu, mohou výrazně ovlivnit strukturu a vlastnosti výsledného materiálu. Kontrola těchto parametrů je tedy klíčová pro dosažení požadovaných vlastností a pro umožnění komerční výroby dvourozměrných polovodičů s vysokým výtěžkem a stabilitou.

Jaké jsou vlastnosti přechodových kovových dichalkogenidů a jejich aplikace v memristorech?

MoS₂, který je nejvýznamnějším materiálem v rodině TMDs, se vyskytuje v přírodě jako molybdenit s dobrou stabilitou. Tento materiál může vykazovat chování rezistivního přepínání (RS) od monovrstvy až po několik vrstev. V principu MoS₂ neprojevuje RS chování, ale dopanty a defekty mřížky mohou toto chování vyvolat, což je štěstí, protože defekty se obvykle vytvářejí během syntézy MoS₂ nanosheetchů. První paměťové obvody na bázi monovrstvy MoS₂, které vykazovaly NVRS (nevolatilní rezistivní přepínání) chování, byly uvedeny na trh Sangwanem a kolegy v roce 2015. Tyto zařízení měly poměr přepínání (RHRS/RLRS) až 103 a mohly být přepínány mezi LRS (nízký odporový stav) a HRS (vysoký odporový stav) opakovaně migrujícími hranicemi zrn, což dále modulovalo koncentraci sírových vakancí (VS) v sousedních oblastech, což vedlo k změně odporu.

Nicméně, horizontální struktura nebyla pro memristory praktická, protože se kdysi předpokládalo, že nevolatilní přepínání nebude škálovatelné na subnanometrové rozměry kvůli únikovým proudům. V roce 2018 Ge et al. poprvé prokázali NVRS chování u vertikálních zařízení z monovrstvy TMD. Struktura těchto memristorů byla odlišná, což vedlo k výrazně vyššímu poměru zapnuto/vypnuto (až 10⁴) a vynikajícímu výkonu bez potřeby elektroformace, která je nezbytná pro memristory na bázi MO (metal-oxide).

Další výzkum se zaměřil na využití různých druhů TMDs. WS₂, analog MoS₂, vykazuje lepší tepelnou stabilitu a odolnost proti oxidaci než MoS₂. WS₂ byl předpovězen jako materiál s nejvyšší mobilitou, díky nejlehčí efektivní hmotnosti a tunitelnému zakázanému pásu až 2,1 eV. V roce 2021 vytvořil Yan et al. memristor na bázi Pd/WS₂/Pt s extrémně nízkou spotřebou energie. Tento memristor vykazoval chování RS dominované vakancemi síry (VS) a v některých případech i vakancemi wolframu (VW), což vedlo k zlepšení výkonu RS.

Vedle jednotlivých TMDs je inženýrství van der Waalsových (vdW) heterostruktur výborným způsobem, jak rozšířit vlastnosti 2D materiálů. Zhang et al. připravili ultratenký memristor na bázi heterostruktury 2D WS₂/MoS₂, který vykazoval vysoký poměr zapnuto/vypnuto až 10⁴ a prodlouženou životnost s více než 120 cykly přepínání. Chování RS bylo způsobeno mírným modulačním efektem pásu při aplikovaných napětích, což eliminovalo degradaci materiálu během přepínání.

Mezi novější materiály, které přitahují pozornost v oblasti mikroelektronických zařízení a neuromorfního výpočtu, patří ReS₂ a ReSe₂. Tyto triclinické krystaly mají nízkou symetrii a tvoří Re₄ řetězce, které vedou k extrémně slabé interakci mezi vrstvami a silné strukturální anizotropii. To přímo ovlivňuje jejich vnitřní vlastnosti a vede k novým nanofenomenům. V roce 2021 Li et al. uvedli memristory na bázi ReS₂, které vykazovaly vynikající uniformitu přepínání, dominované migrací sírových vakancí bez potřeby elektroformace. Tyto memristory měly minimální časovou variabilitu a byly schopny simulovat synaptickou plasticitu, což ukazuje na jejich velký potenciál v neuromorfních výpočtech.

Využití tranzistorů a logických obvodů na bázi 2D polovodičových materiálů pro pokročilé integrované obvody

Pokroky v oblasti 2D polovodičových materiálů otevřely nové možnosti pro vývoj tranzistorů a integrovaných obvodů (IC), které slibují výrazně vyšší výkon a efektivitu oproti tradičním materiálům. Významné výhody, jako je vysoký zisk napětí a nízké hodnoty sub-threshold slope (SS), jsou mezi klíčovými faktory, které umožňují rozvoj těchto nových technologií. Mezi nejočekávanější aplikace patří tranzistory pro vysokorychlostní logiku, kde je dosaženo lepšího řízení šumu a nižšího spotřeby energie.

Tranzistory založené na 2D polovodičových materiálech, jako je MoS2, WS2, nebo černý fosfor, vykazují skvélé výkony díky své extrémně tenké struktuře, která umožňuje lepší řízení kanálového proudu a rychlejší přepínání. Specifické vlastnosti těchto materiálů, jako je silná anisotropie v elektrických a optických vlastnostech, je činí vhodnými pro aplikace v oblasti mikrosystémů a pokročilých integrovaných obvodů. Například tranzistory postavené na MoS2 umožňují dosahovat rekordních hodnot zisku napětí, což je klíčové pro zlepšení výkonu logických obvodů.

Další zásadní výhodou 2D materiálů je jejich schopnost vytvářet vertikální struktury tranzistorů, což vede k dalšímu zlepšení výkonu a miniaturizace. Výzkum v oblasti sub-nanometrových délky hradla ukazuje na možné dosažení výkonu, který je dnes ještě nevídaný u tradičních silikonových technologií. Tato inovace přináší nejen výhody z hlediska vyšší rychlosti a menší spotřeby energie, ale také podporuje rozvoj nových metod výroby integrovaných obvodů, kde je možné zohlednit vyšší hustotu integrace.

Výzvy spojené s těmito technologiemi zahrnují především problémy s kontaminací a kontaktními odpory, které mohou výrazně ovlivnit výkon tranzistorů. Významným směrem výzkumu je tedy optimalizace kontaktních materiálů a zlepšení čistoty 2D materiálů. Důležité je i vytváření vhodných dopovacích metod, které umožní řídit elektrické vlastnosti těchto materiálů na požadovanou úroveň.

Pokud jde o konkrétní aplikace, očekává se, že tyto technologie budou mít široké využití v mobilních zařízeních, senzorech, nositelných zařízeních a v oblasti umělé inteligence, kde je kladeno důraz na výkon a nízkou spotřebu energie. Integrace 2D materiálů do existujících výrobních procesů a jejich komerční výroba na větších plochách je stále výzvou, ale postupný pokrok naznačuje, že i zde může v budoucnosti dojít k zásadnímu zlepšení.

Endtext

Jak 2D polovodiče ovlivňují aplikace v oblasti elektrochemické energie?

S rostoucími globálními energetickými požadavky se stává nezbytné hledat nové materiály, které by mohly podpořit rozvoj udržitelných energetických systémů. Růst populace, zvyšování spotřeby energie na jednoho obyvatele, ekonomický rozvoj a potřeba dodávek v odlehlých oblastech vedou k exponenciálnímu růstu cen energie. Solární články, superkondenzátory, palivové články a fotovoltaické články představují příklady udržitelných energetických zdrojů a systémů pro uchovávání energie, které těží z moderního výzkumu materiálů a inovativních technických řešení.

Jedním z hlavních směrů současného vědeckého výzkumu je objevování a vývoj unikátních materiálů, které mají široké využití v energetických zařízeních. Tradiční výroba energie je stále založena na fosilních palivech, ale tento přístup je postupně nahrazován moderními technologiemi zaměřenými na obnovitelné zdroje, jako je solární a větrná energie. I když mnoho současného výzkumu se soustředí na základní vědu a inženýrství materiálů pro udržitelné zdroje energie, je kladeno stále větší důraz na vývoj vysoce výkonných sloučenin, které by mohly překonat některé výzvy, jako je závislost na drahých a vzácných vzácných kovech a nízká dlouhodobá stabilita materiálů.

2D polovodiče mají široké možnosti využití v energetických aplikacích. Například materiály na bázi MXene byly široce používány jako součást elektrody ve superkondenzátorech a bateriích. Tyto materiály nabízejí vynikající vodivost a stabilitu, což je klíčové pro účinné ukládání energie. Dalším příkladem jsou metal-organické rámce (MOF), které byly přidány do materiálů elektrody pro výrobu vysoce kvalitních superkondenzátorů. Palivové články, které čelí problémům s kapalinovými elektrolyty, rovněž profitují z využívání 2D polovodičů. Využití pevných elektrolytů místo kapalných elektrolytů umožňuje snížit provozní teploty a zvyšuje bezpečnost palivových článků.

Významným trendem v oblasti energetických aplikací je také využívání perovskitových materiálů, které byly použity k výrobě vysoce efektivních solárních článků. Perovskity vykazují vysokou konverzní účinnost, což je činí velmi atraktivními pro budoucí energetické aplikace. Kromě toho jsou heterostruktury, které kombinují různé 2D polovodiče, efektivně využívány k výrobě komponentů, jako jsou anody, katody nebo elektrolyty, což dále zvyšuje výkon těchto zařízení.

Pro dosažení optimálních vlastností 2D polovodičů je nezbytné přehodnotit a upravit různé parametry jejich výroby. Vědecký výzkum v této oblasti ukazuje, jak kladné změny v konstrukci těchto materiálů mohou významně zlepšit jejich výkon v elektrochemických aplikacích, což by mohlo vést k revoluci v oblasti energetických zařízení.