Logické obvody postavené na 2D polovodičích (2D-SCM) mají obrovský potenciál pro vývoj vysoce výkonných, nízkoenergetických elektronických zařízení. Vzhledem k rychlým přepínacím dobám a vysoké pohyblivosti nositelů náboje nabízejí 2D materiály možnost provozu při nižších napájecích napětích, což je klíčové pro vytváření energeticky úsporných obvodů. Avšak výzvy, jako je šumová mezera a integrita signálu, vyplývající z malých změn napětí, musí být při návrhu těchto obvodů pečlivě řešeny.

Přímé propojení FET logiky (DCFL) ve 2D polovodičích nabízí výhody v podobě efektivní integrace logických hradel, kde není potřeba žádného mezivrstvového zesilovače – výstup jednoho hradla je okamžitě připojen k vstupu jiného. Tato přímá vazba umožňuje efektivní přenos signálů při nízké spotřebě energie. Nicméně, u 2D materiálů je nutné zohlednit problém kontaktního odporu, úniky na gatech a další nevyzpytatelné jevy, které jsou charakteristické pro tyto materiály.

V oblasti CMOS technologie se stále častěji zkoumá možnost použití 2D materiálů pro výstavbu n- a p-typových tranzistorů. Tyto tranzistory, které tvoří základní stavební kameny logických obvodů, mohou být vyrobeny z materiálů jako grafen nebo TMDC (transition metal dichalcogenides), přičemž jejich vlastnosti lze upravit pomocí dopování. Tento přístup umožňuje dosažení nízkoodporových kontaktů a efektivního přenosu signálů v zařízeních s atomární tloušťkou, což přispívá k vyšší hustotě a rychlejšímu přepínání.

Vedle logických obvodů mají 2D polovodiče rovněž silný potenciál v oblasti paměťových obvodů. Paměťová zařízení postavená na 2D materiálech mohou nabídnout vysokorychlostní operace, nízkou spotřebu energie a kompaktní designy. Díky vysoké hustotě integrace a vynikajícím elektrickým a optickým vlastnostem těchto materiálů mohou být využívány v širokém spektru aplikací, od datového úložiště po vysoce efektivní cache paměti v elektronických zařízeních. Navíc absence dangling bonds (neuzavřených vazeb) a možnost tunování šířky zakázaného pásma v 2D materiálech umožňuje přizpůsobení architektur zařízení konkrétním aplikacím, jako je snímání, zpracování a uchovávání dat.

Kromě specifických výhod, které 2D materiály přinášejí pro logické a paměťové obvody, je jejich integrace do reálných elektronických systémů složitá. V procesu integrace je klíčovým faktorem výběr vhodného substrátu, který musí mechanicky podporovat materiál, odpovídat jeho mřížkové struktuře a být chemicky inertní. Metody jako chemická depozice z plynné fáze (CVD), molekulární epitaxe nebo exfoliace umožňují růst 2D materiálů pro konkrétní aplikace. Avšak při přenosu těchto materiálů z růstového substrátu na cílový substrát je nezbytné minimalizovat defekty a zajistit dlouhodobou stabilitu zařízení pomocí post-processingu, například zakrytí nebo balení.

Zároveň je nutné věnovat pozornost problémům, které jsou typické pro tyto materiály, jako je problém s dlouhodobou stabilitou mnoha vynikajících 2D materiálů. Tato omezená stabilita a nízká mobilita nosičů náboje u jednovrstvých 2D materiálů mohou omezit jejich široké využití v elektronice. Výzvou zůstává dosažení masového růstu těchto materiálů a bezproblémové začlenění do zařízení a systémů.

Důležitou oblastí, která musí být při použití 2D materiálů pečlivě sledována, je jejich dlouhodobá environmentální stabilita. Stabilita materiálů v různých podmínkách může rozhodujícím způsobem ovlivnit životnost a spolehlivost konečných zařízení, a to jak v oblasti optoelektronických aplikací, tak v běžné elektronice. Při vývoji těchto technologií se proto stále více zaměřuje na řešení problémů, jak zvýšit stabilitu materiálů, zlepšit jejich mechanické vlastnosti a vyvinout efektivní metody pro jejich integraci do komplexních systémů.

Jaké výhody nabízí 2D polovodiče oproti grafenu?

Významný průlom, který nastal v roce 2004 díky grafenu, vedl k rozsáhlému výzkumu dvourozměrných polovodičových materiálů (2D SCM), což má dalekosáhlé důsledky pro oblasti elektroniky a fotoniky. Hlavním impulzem pro rostoucí zájem o 2D polovodiče je překonání základní slabiny grafenu, jíž je jeho chybějící zakázaný pás. I přes vynikající fyzikální vlastnosti grafenu, jeho nedostatek zakázaného pásu omezuje jeho využití v různých technologických aplikacích. Na druhou stranu 2D polovodiče, jako jsou disulfidy přechodných kovů nebo hexagonální boronitrid, nabízejí řešení tohoto problému a rozšiřují spektrum využití na nové aplikace.

2D polovodiče se vyznačují unikátními vlastnostmi, které jsou zjevné již u jednovrstvých materiálů. Tyto materiály vykazují složité bandstruktury a heterostruktury, které jsou oproštěné od problémů s mřížkovým nesouladem, což umožňuje přizpůsobení specifických mechanismů pro různé elektronické systémy. Experimentálně bylo úspěšně izolováno více než 100 různých 2D SCM materiálů, jejichž bandgap se pohybuje od několika milielektronvoltů až po několik elektronvoltů. Tento široký výběr materiálů umožňuje cílené využívání specifických SCM pro různé aplikace, jako jsou solární články, senzory, baterie nebo tranzistory.

Mezi materiály, které byly úspěšně izolovány, patří boronitrid, křemík, bor, germanium, fosfor, a dichalkogenidy přechodných kovů (TMDCs). Tyto materiály vykazují velmi dobré elektrické, optické a tepelně vodivé vlastnosti, které jsou ideální pro použití v elektronických a fotonických zařízeních. Heterostruktury těchto 2D SCMs, které vznikají spojením více vrstev různých materiálů, otevřely nové možnosti v oblasti výroby zařízení na bázi dvourozměrné struktury. Tyto heterostruktury mají výhodu v tom, že umožňují bezproblémové přizpůsobení vlastností každého materiálu, což vedlo k vytvoření hybridních materiálů s vylepšenými vlastnostmi pro různé aplikace.

Důležitým aspektem při zkoumání těchto materiálů je pochopení jejich fyzikálních vlastností a chování v rámci snížené dimenze. Snížení počtu vrstev na jednovrstvou strukturu vede k vysoce odlišným elektronickým a optickým vlastnostem ve srovnání s bulkovými materiály. Tyto vlastnosti jsou důsledkem kvantového zamezení pohybu elektronů v ose z, což má za následek nové jevy, které je možné využít v různých typech zařízení. Například, u 2D polovodičů je možné efektivně ovládat a měnit jejich elektrické vlastnosti na základě počtu vrstev nebo orientace atomů.

Pochopení a manipulace těchto vlastností je klíčové pro jejich úspěšné využití v moderních elektronických zařízeních. Mezi hlavní výzvy patří schopnost přesně ovládat vlastnosti těchto materiálů na atomární úrovni, což je nezbytné pro dosažení požadované funkčnosti v zařízení. V tomto ohledu se vědci stále zaměřují na vylepšení metod pro přípravu 2D materiálů s požadovanými vlastnostmi.

Jeden z nejzajímavějších typů 2D materiálů jsou dichalkogenidy přechodných kovů (TMDCs). Tyto materiály mají vzorec MX2, kde M je přechodný kov (např. Mo, W, Re, Nb) a X je chalcogen (např. S, Se, Te). V závislosti na kombinaci přechodného kovu a chalcogenu se vlastnosti těchto materiálů mohou lišit od polovodičových po kovové nebo dokonce supravodivé. Snížení počtu vrstev TMDCs zhruba na monovrstvu vede k podstatným změnám v jejich elektronické struktuře, což umožňuje jejich široké využití v různých aplikacích, jako jsou tranzistory nebo fotonické senzory.

Důležitým faktorem pro přizpůsobení vlastností TMDCs je jejich krystalová struktura, která se může lišit v závislosti na počtu vrstev a uspořádání atomů v mřížce. Základní struktury TMDCs zahrnují fáze 2H, 3R a 1T, přičemž každá z těchto fází má specifické elektronické a optické vlastnosti. Právě tyto variace v krystalových strukturách umožňují, že TMDCs mohou být použity v celé řadě elektronických a fotonických aplikací.

Je důležité také podotknout, že heterostruktury vytvořené z těchto 2D materiálů, které jsou drženy pohromadě díky van der Waalsovým silám, představují nový způsob, jak kombinovat různé materiály na atomární úrovni. Tento způsob tvorby heterostruktur přináší nové možnosti pro návrh zařízení, která kombinují různé materiálové vlastnosti a umožňují dosahování specifických výkonů v různých oblastech technologií.

Endtext

Jak 2D polovodičové materiály přetvářejí technologii senzorů?

2D polovodičové materiály (SCMs) v posledních letech přitahují značnou pozornost díky své unikátní struktuře a výjimečným fyzikálně-chemickým vlastnostem. Tato nanomateriálová třída, která zahrnuje materiály jako grafen, MXeny a disulfidy přechodových kovů, nabízí nové možnosti pro vývoj senzory s vylepšenými vlastnostmi, jako jsou větší citlivost, selektivita a stabilita. V oblasti senzorů se tyto materiály uplatňují především v elektrochemických senzorech, fotoelektrochemických senzorech a chemorezistivních plynových senzorech.

Elektrochemické senzory, známé pro svou schopnost detekovat a kvantifikovat různé chemické látky, mají dlouhou historii, která sahá až do 19. století. V roce 1833, Michael Faraday položil základy elektrochemie, které později vedly k vytvoření mnoha elektrochemických principů, které dnes využíváme v oblasti senzoriky. V průběhu 20. století se začaly vyvíjet elektrochemické senzory zaměřené na detekci kyslíku, vodíkových iontů a kovových iontů, což vedlo k jejich širokému využití v mnoha oblastech.

Pokroky v elektronice a materiálové vědě umožnily vytvoření senzorů, které mají vynikající citlivost, nízkou spotřebu energie a jsou nákladově efektivní. Tyto vlastnosti činí elektrochemické senzory ideálními pro aplikace, jako je monitorování životního prostředí, diagnostiku v medicíně, kontrolu bezpečnosti potravin a další oblasti. Princip fungování elektrochemických senzorů spočívá v přeměně chemické informace, která vzniká reakcí mezi měřenou látkou a citlivým materiálem, na kvantitativní elektrický signál. Elektrochemické senzory se dělí na potenciometrické, proudové a vodivostní senzory, přičemž každý z nich má specifické výhody a omezení.

Jedním z nejvýznamnějších pokroků v oblasti elektrochemických senzorů je využití MXenů, což jsou 2D nanomateriály s vysokým poměrem stran a malým počtem atomárních vrstev. Tyto materiály jsou ideální pro výrobu iontově selektivních elektrod, které umožňují detekci iontů s vysokou přesností. Například Ti3C2Tx MXeny, použité v pevně kontaktních iontově selektivních elektrodách, prokázaly vynikající schopnost detekce iontů v širokém rozsahu koncentrací, a to s rychlou odezvou a nízkými detekčními limity. Využití těchto materiálů v elektrochemických senzorech tedy zvyšuje jejich výkon a flexibilitu v různých aplikacích, od analýzy vody po monitorování zdravotních parametrů.

Další významnou aplikací 2D polovodičových materiálů jsou senzory pro detekci pH. pH je klíčovým parametrem v mnoha chemických a biologických procesech, od potravinářského průmyslu po lékařské aplikace. Senzory pro detekci pH, založené na 2D materiálech jako Ti3C2Tx nebo MoS2, vykazují výjimečnou citlivost a přesnost. Tyto senzory měří koncentraci vodíkových iontů (H+) v roztoku, což má přímý vliv na jejich elektrochemické chování. Například pH senzor na bázi Ti3C2Tx, vyvinutý pro analýzu potu, nabízí neinvazivní metodu pro monitorování pH v reálném čase, což má široké uplatnění v nositelné technologii a sledování zdravotního stavu.

Významnou výzvou v oblasti detekce pomocí 2D SCM materiálů je také detekce těžkých kovů a aniontů, jako je nitrit. Tato problematika je stále relevantní vzhledem k nebezpečím, která představují znečištění prostředí a potenciální zdravotní rizika. Vývoj senzorů, které mohou detekovat tyto látky s vysokou přesností, představuje důležitý směr v oblasti bezpečnostních technologií. Senzory pro detekci těžkých kovů, například olova, se staly neocenitelnými v oblasti ochrany životního prostředí a veřejného zdraví.

V současnosti se 2D polovodičové materiály ukazují jako klíčový prvek pro vytváření nových generací senzorů s výjimečnými vlastnostmi. Je však důležité pochopit, že využití těchto materiálů v senzorech je stále v počáteční fázi a stále existuje mnoho výzev v oblasti jejich masové výroby, integrace do systémů a dlouhodobé stability. Výzkum a vývoj v této oblasti tedy budou i nadále hrát klíčovou roli ve zlepšování technologií senzorů v nadcházejících letech.

Jak vytvořit ráj pro opylovače: 4 způsoby, jak podpořit biodiverzitu vaší zahrady
Jak Raman objasnil, proč je moře modré?
Jak efektivně řešit integrály, které obsahují trigonometrické funkce a hyperbolické identit