Objev grafenu v roce 2004 otevřel nové možnosti pro výzkum dvourozměrných materiálů, což vedlo k intenzivnímu zájmu o různé typy nanomateriálů. Mezi nimi mají 2D polovodičové materiály (2D-SCMs) zvláštní význam díky svým jedinečným vlastnostem, které je činí ideálními pro využití v oblasti optoelektroniky, elektroniky, fotoniky a senzoriky. Tyto materiály jsou tvořeny několika vrstvami monomateriálů, které jsou vzájemně spojeny dlouhodobými interakcemi. 2D polovodičové materiály, jako je silicén, fosforen, borofen a dvouvrstvé dichalkogenidy (2D-TMD), jsou dnes předmětem intenzivního výzkumu, a to především kvůli jejich elektrickým, optickým, tepelným a mechanickým vlastnostem.

Vzhledem k vysokému poměru povrchu k objemu a polovodičovým vlastnostem mají tyto materiály velký potenciál pro vývoj miniaturních a nízkonapěťových tranzistorů. Dále je možné měnit elektronickou strukturu těchto materiálů pomocí modifikace vrstev, slitinování nebo dopingem, což zvyšuje jejich atraktivitu pro širokou škálu aplikací. Důkladné porozumění těmto vlastnostem je nezbytné k tomu, aby bylo možné co nejefektivněji využít jejich potenciál v různých oblastech.

Optické vlastnosti 2D-SCMs jsou zvlášť důležité pro jejich použití v optoelektronických a fotonických aplikacích. Tyto materiály vykazují silnou závislost na velikosti zakázaného pásu a přechodech elektronů, což je činí vhodnými pro různé optické aplikace. Důležité je, že optické vlastnosti těchto materiálů se mohou značně lišit v závislosti na jejich struktuře a počtu vrstev. Například monovrstvé materiály jako MoS2 vykazují výrazně odlišné optické vlastnosti než jejich vícevrstvé protějšky, což je důsledkem změny zakázaného pásu z neprůchozího na přímý. Tato vlastnost je klíčová pro vývoj vysoce účinných fotonických zařízení, jako jsou lasery nebo fotodetektory.

Významným směrem výzkumu je také ladění optických vlastností 2D materiálů prostřednictvím inženýrství napětí, dopingu nebo vytváření heterostruktur. Například polovodičové TMD materiály (transition metal dichalcogenides) vykazují významné změny v optických vlastnostech při přechodu z hromadné fáze na monovrstvy, což vede k posunu z neprůchozího zakázaného pásu na přímý. Tento posun se může projevovat například v výrazně lepší fotoluminiscenci monovrstvových TMD materiálů ve srovnání s vícervrstvými vzorky.

Přidání molekulárních vrstev na povrch MoS2 nebo jiných 2D TMD materiálů může také významně zvýšit kvantovou účinnost materiálů a tím otevřít nové možnosti pro využití těchto materiálů v optoelektronice. Kromě toho, že TMD materiály vykazují změny ve fotoluminiscenci při různých počtech vrstev, mohou tyto změny vést k výraznému zlepšení výkonu optických zařízení.

Vedle optických vlastností mají 2D-SCM materiály i vynikající elektrické, tepelně vodivé a mechanické vlastnosti, což je činí výbornými kandidáty pro aplikace v elektronických zařízeních, jako jsou tranzistory, paměti, senzory a mnoho dalších. Jejich schopnost modulace elektronických pásů umožňuje přizpůsobení těchto materiálů specifickým aplikacím, což představuje klíčovou výhodu při jejich vývoji a použití ve vysoce efektivních zařízeních.

V oblasti senzoriky jsou 2D-SCM materiály zajímavé díky své schopnosti detekovat různé chemické a biologické látky na základě změny svých elektronických vlastností při kontaktu s těmito látkami. Tato vlastnost je dána vysokým poměrem povrchu k objemu a citlivostí na drobné změny v prostředí, což umožňuje jejich využití v široké škále senzorických aplikací, od detekce znečišťujících látek až po biomolekulární senzory.

Je tedy zřejmé, že 2D polovodičové materiály mají obrovský potenciál pro revoluci v mnoha oblastech technologií. Jejich schopnost vykazovat různé vlastnosti v závislosti na počtu vrstev, dopingu nebo vnějším stimuli umožňuje vývoj vysoce efektivních a inovativních zařízení. Dále bude klíčové pokračovat ve výzkumu těchto materiálů a jejich aplikací pro vysoce specializované a náročné technologické aplikace.

Jak využít MXeny a další 2D materiály pro pokročilé detekční technologie

V oblasti elektronických zařízení je kladeno stále větší důraz na efektivní využívání nosičů náboje a jejich řízení, zejména pokud jde o jejich přenos z externích obvodů do interních funkčních komponent. Zatímco tradičně se k přenosu náboje využívá elektrická vodičová kondukce, tato metoda je vždy zatížena degradačními procesy, které zhoršují účinnost zařízení. Jedním z nejnovějších pokroků v této oblasti je využití bezdrátové elektrostatické indukce k aktivaci nativních nosičů v elektrochemických superkapacitních zařízeních na bázi MXenů. Tato technologie umožňuje efektivní excitaci nosičů v porézní MXenové látce, kovovém substrátu a iontovém elektrolytu, což vede k masivní kapacitě energie 541,6 F/g, což je více než dvojnásobek hodnoty 258,5 F/g dosažené tradičním drátovým vedením náboje.

Jedním z významných pokroků v této oblasti je i vývoj systému pro bezdrátové vyvolání spouštění pomocí velmi citlivého senzoru, který dokáže detekovat přítomnost elektrostatických sil s vysokou linearitou až do hloubky 20 cm. Kromě toho se tento systém ukázal jako vysoce citlivý na intenzitu AEF (elektrostatického pole), s maximální citlivostí 14,4 mA/ν. Tyto vlastnosti byly úspěšně implementovány v prototypových zařízeních, což dává naději na další rozvoj senzorů nové generace.

MXeny představují velmi zajímavý materiál pro vývoj nových senzorů, a to díky svým výjimečným vlastnostem, jako jsou vysoká kovová vodivost, hydrofobnost, minimální překážky pro difuzi, vysoká pohyblivost iontů a značná povrchová plocha. MXeny se snadno integrují do moderní chemie a jsou tak ideálním základem pro vytvoření nových analytických detekčních systémů. Tyto pokroky v oblasti MXenů přinášejí nové perspektivy pro detektory na bázi těchto materiálů, což podtrhuje důležitost dalších studií zaměřených na jejich aplikace v analytické detekci.

Dalšími velmi slibnými materiály pro elektronické a fotonické aplikace jsou kovové chalkogenidy. Tato široká třída 2D materiálů, která zahrnuje přechodové kovy, vytváří materiály s unikátními optickými, elektrickými a katalytickými vlastnostmi. Kovové chalkogenidy mají schopnost absorbovat světlo, což je činí ideálními pro fotodetektory. Kromě toho jsou některé z těchto materiálů magnetické, což otevírá nové možnosti pro jejich použití v magnetických zařízeních. Tato třída materiálů je rozdělená do dvou hlavních kategorií: známé přechodové kovové chalkogenidy (TMDs) a méně studované přechodové kovové trichalkogenidy (TMCs). Zajímavé jsou zejména jejich optické vlastnosti, které lze využít pro vytvoření detektorů citlivých na různé environmentální faktory.

V oblasti optoelektronických zařízení a detektorů plynů se kovové chalkogenidy prokázaly jako slibné materiály pro detekci plynů, jako jsou oxidy dusíku nebo etanol. Například detektory postavené na zirkoniu trisulfidu (ZrS3) vykazují vynikající výkon při detekci těchto plynů. Vědci zjistili, že v těchto materiálech hrají klíčovou roli jak fotokonduktivita, tak fotogating, přičemž různé vlnové délky světla ovlivňují jejich schopnost zachytávat a detekovat plyny.

Fosforen je další fascinující materiál, který se dostává do popředí díky své vysoké specifické ploše, silné optické absorpci a vysoké dostupnosti nosičů náboje. Tento materiál je výjimečný svou anizotropní ortorombickou krystalovou strukturou, která mu dává vynikající mechanické, elektrické, optické a transportní vlastnosti. Fosforen, jako materiál pro optoelektronické aplikace, se prokázal jako velmi perspektivní v oblasti vývoje nových fotovoltaických a fototermálních technologií, zejména pro účinný sběr a uchovávání sluneční energie. Významné pokroky byly dosaženy v oblasti vývoje černého fosforenu, který má velmi vysokou tepelnou vodivost a latenci, což jej činí ideálním pro aplikace v oblasti tepelného ukládání energie.

Pro dosažení efektivních a udržitelných energetických systémů bude kladeno stále větší důraz na materiály jako MXeny a fosforen, které umožňují nový přístup k efektivnímu sběru a uchovávání energie.

Jaké jsou výhody a výzvy spojené s použitím dvourozměrných polovodičových materiálů v elektronických a optoelektronických zařízeních?

Dvourozměrné polovodičové materiály, jako je hexagonální boron-nitrid (h-BN) a černý fosfor (BP), představují novou třídu materiálů, které vykazují unikátní vlastnosti vhodné pro využití v pokročilých elektronických a optoelektronických zařízeních. Tento pokrok je v první řadě spojen s jejich výjimečnými mechanickými, elektrickými a optickými charakteristikami, které je činí ideálními kandidáty pro vývoj nových generací zařízení.

Hexagonální boron-nitrid (h-BN) sdílí mřížkovou strukturu s grafenem, avšak s 1,8 % delší mřížkovou konstantou, což jej činí vhodným pro aplikace v elektronice a optoelektronice. Je to polovodič s širokým zakázaným pásmem (přibližně 5,9 eV), což znamená, že může fungovat jako dielektrikum nebo jako izolační vrstva v elektronických součástkách. Díky své vynikající chemické stabilitě, mechanické odolnosti, vysoké tepelně vodivosti a izolačním vlastnostem je h-BN používán v mnoha zařízeních, včetně optoelektronických detektorů a světelných diod pro hluboký ultrafialový (DUV) světelný spektrum.

Avšak výzvou je přítomnost defektů v dvouvrstvých h-BN nanosheetech, jako jsou hrany, hranice zrn, dislokace, intersticiální atomy a vakance. Tyto defekty mohou výrazně ovlivnit elektronickou strukturu materiálů a změnit jejich funkci, což představuje výzvu pro aplikace ve vysoce precizních nanoelektronických obvodech. Dopanty, jako jsou atomy uhlíku, vodíku, kovu, fluoru a kyslíku, mohou být přítomny v h-BN nanosheetech a ovlivnit jeho elektronické vlastnosti. Takové změny mohou vést k nejednoznačným změnám ve struktuře materiálů, což má důsledky pro jejich stabilitu a výkon v zařízeních.

Na druhé straně, černý fosfor (BP) je jedním z nejstabilnějších alotropů fosforu a v posledních letech se ukázal jako slibný materiál pro elektroniku a optoelektroniku. BP má ortorombickou krystalovou strukturu, která zajišťuje silnou vrstvenou interakci mezi atomy fosforu. Elektronická struktura BP je velmi citlivá na tloušťku vrstvy, přičemž snižování tloušťky BP od více než deseti vrstev na monovrstvu zvyšuje zakázané pásmo od přibližně 0,33 eV na 2,0 eV. Tato vlastnost je zvlášť důležitá pro aplikace v oblasti optoelektroniky, protože umožňuje ladění optických a elektrických vlastností materiálu na základě jeho tloušťky.

BP se v současnosti studuje pro různé aplikace v oblasti fotoniky a elektroniky, zejména díky své vysoké mobilitě nosičů náboje a možnosti ladění jeho zakázaného pásma. Avšak stejně jako u h-BN, i zde mohou být přítomny defekty, které ovlivňují výkon materiálu v aplikacích. Tyto defekty mohou být vytvářeny v procesu chemické depozice nebo následnými chemickými úpravami, což je další výzva pro optimalizaci vlastností BP.

Je důležité si uvědomit, že v případě obou těchto materiálů hraje významnou roli teplota a tlak při jejich syntéze, což může ovlivnit jak strukturu, tak i výkonnost zařízení, která na nich závisí. Například při použití h-BN jako substrátu pro grafen se zlepšuje kvalita grafenového povrchu a zvyšuje se jeho mobilita. Na druhé straně BP vykazuje vynikající vlastnosti pro aplikace v kvantové informatice, přičemž kvantová zařízení vyžadují výběr materiálů s vysokou stabilitou při nízkých teplotách.

Při vývoji zařízení založených na těchto materiálech je nutné pečlivě zohlednit jak jejich chemické a mechanické vlastnosti, tak jejich potenciální defekty, které mohou ovlivnit výkonnost a stabilitu zařízení. S pokračujícím výzkumem a zlepšením výrobních metod se očekává, že dvourozměrné polovodičové materiály jako h-BN a BP se stanou klíčovými součástmi v širokém spektru aplikací, včetně fotonických obvodů, elektronických tranzistorů a kvantových informačních technologií.

Jak efektivně využívat 15 minut denně pro učení španělštiny během 12 týdnů
Jak efektiv komunikovat při návštěvě muzea a na pracovních pohovorech?
Jak se změnily vnitřní světy a co se skrývá za slovy dopisů z fronty?
Jak zůstat v přítomném okamžiku a zlepšit svou pozornost pomocí smyslů a jednoduchých technik