Jaké jsou možnosti 2D polovodičů pro optoelektroniku a jejich aplikace v elektronických zařízeních?

Výzkum 2D polovodičových materiálů, jako je černý fosfor (BP) a MXenes, odhaluje široké možnosti pro aplikace v optoelektronice a pokročilé elektronice. Tyto materiály, ačkoliv se od sebe liší v chemické struktuře a elektronických vlastnostech, nabízejí unikátní kombinace vysoké vodivosti, tunelovatelných optických a elektrických vlastností, což je činí ideálními pro použití v různých zařízeních, od fotodetektorů až po lasery a moduly pro frekvenční konverzi.

Důležitou vlastností černého fosforu je také jeho střední zakázaný pás (~0,33 eV), což umožňuje materiálu interagovat s širokým spektrem světelných vln, včetně náročných oblastí blízké a střední infračervené oblasti. Tento materiál vykazuje vynikající fotoreakce na modulaci frekvence, což ukazuje jeho silný potenciál pro fotonické aplikace. Uplatnění ultratenkých vrstev BP, například o tloušťce 4 nm a šesti až osmi vrstvách, mezi vrstvami hexagonálního boridu (h-BN), se ukázalo jako slibné pro fotoniku a elektroniku.

MXenes, což je skupina 2D materiálů složených z přechodových kovů, karbidů, nitridů a karbonitridů, představují další slibný materiál pro optoelektroniku. Tyto materiály vykazují vynikající elektrickou vodivost, což je činí ideálními pro použití v elektrických kontaktech, a díky své vysoké hydrofobicitě jsou také vhodné pro aplikace, kde je třeba zajistit spolehlivý kontakt s jinými materiály. I když většina MXenes vykazuje kovové nebo polokovové vlastnosti, existují také semiconducting MXenes, jako jsou Sc₂CO₂, Ti₂CO₂, Zr₂CO₂ a Hf₂CO₂, které mají bandgap mezi 0,24 a 1,8 eV, což je činí vhodnými pro absorpci světla v oblasti viditelného až středního infračerveného spektra.

Dalším klíčovým faktorem pro vývoj MXenes je jejich schopnost upravovat bandgap podle typu povrchových funkčních skupin. Funkční skupiny jako –OH, –F, –Cl nebo –O mohou ovlivnit elektronovou strukturu MXenes a tím měnit jejich chování na polovodiče. Tato vlastnost otevírá nové možnosti pro přizpůsobení MXenes pro různé aplikace, od fotodetektorů až po Schottkyho diody, které jsou nezbytné pro detekci světla v různých vlnových délkách.

Navzdory slibným vlastnostem těchto materiálů je však stále nutné provést další experimenty a simulace pro lepší pochopení jejich chování a efektivity v praxi. Důležitou otázkou, která stále čeká na odpověď, je, jaká kombinace materiálů a konstrukce heterostruktur může být nejúčinnější pro specifické aplikace v optoelektronických zařízeních. Jak je vidět z výzkumů, kombinace materiálů s různými elektronickými vlastnostmi může vést k rozšíření možností pro design nových fotonických a elektronických komponent.

Potenciál dvourozměrných materiálů pro termoelektrické aplikace

Dvourozměrné (2D) polovodičové materiály (2D-SCM) se ukazují jako slibná cesta pro vývoj termoelektrických materiálů nové generace. Zatímco tradiční materiály, jako jsou Bi2Te3 slitiny, dominují v oblasti termoelektrických aplikací, dvourozměrné materiály přinášejí nové možnosti díky své jedinečné struktuře a fyzikálním vlastnostem. V tomto kontextu se vědci zaměřují na využití kvantového velikostního efektu, filtrování energie rozhraní, inženýrství pásové struktury a dalších metod, které umožňují zlepšení termoelektrických vlastností materiálů.

Mezi nejvíce studované materiály pro termoelektrické aplikace patří grafen, přechodové kovové dichalkogenidy (TMDCs), Mxeny, silikon a fosforen. Tyto materiály vykazují zajímavé elektrické, mechanické, tepelné a optoelektronické vlastnosti, které je činí vhodnými pro pokročilé aplikace. Grafen, který se poprvé izoloval jako ideální dvourozměrná mřížka uhlíkových atomů, zůstává jedním z nejvíce zkoumaných materiálů pro termoelektrické aplikace. Jeho struktura, která je držena pohromadě silnými kovalentními vazbami, umožňuje elektronům pohybovat se v dvourozměrném prostoru, což vede k vysoké mobilitě nositelů náboje. Nicméně, grafen má nulovou šířku pásu, což znamená, že je to polovodič bez zakázaného pásu, což komplikuje jeho použití v termoelektrických zařízeních, kde je potřeba optimální rovnováha mezi elektrickou vodivostí a Seebeckovým koeficientem.

Seebeckův koeficient grafenu je při běžných teplotách poměrně nízký, což ukazuje, že úroveň Fermiho energie je blízko bodu nábojové neutrality. Tato vlastnost je jedním z důvodů, proč je třeba upravit podmínky dopování a vrstvu grafenu, aby bylo možné dosáhnout optimálních termoelektrických vlastností. Je třeba vzít v úvahu, že grafen má výjimečně vysokou tepelnou vodivost, která předčí i materiály jako diamant nebo uhlíkové nanotrubice, což může být v některých aplikacích výhodou, ale zároveň i omezením pro termoelektrické použití.

Dalším klíčovým faktorem, který ovlivňuje výkon termoelektrických materiálů, je vliv substrátu, na němž je materiál umístěn. Vliv podkladového materiálu, jako je SiO2 nebo hexagonální boronitrid (hBN), může výrazně ovlivnit elektrické a termoelektrické vlastnosti grafenu. Například grafen na substrátu SiO2 vykazuje odlišné chování v porovnání s grafenem na hBN substrátu. Tento rozdíl je důsledkem interakce mezi grafenovými vrstvami a podkladem, která ovlivňuje elektronovou strukturu a tím i termoelektrické vlastnosti materiálu.

Důležité je také, že dvourozměrné materiály mohou být přizpůsobeny různým aplikacím, což otevírá nové možnosti pro pokročilé termoelektrické zařízení. Například použití grafenu nebo TMDCs v kombinaci s vhodnými technikami dopování nebo modifikace vrstvy může vést k materiálům s požadovanými vlastnostmi pro konkrétní termoelektrické aplikace. S dalším vývojem syntézy a charakterizace těchto materiálů můžeme očekávat zlepšení jejich výkonu a účinnosti.

Pokud se podíváme na přechodové kovové dichalkogenidy, Mxeny nebo fosforen, každý z těchto materiálů nabízí jedinečné výhody pro termoelektrické aplikace. TMDCs jsou známy svými výbornými elektrickými vlastnostmi a možností přizpůsobení jejich pásové struktury, což je činí ideálními pro termoelektrické aplikace, zatímco Mxeny vykazují vynikající mechanické a elektrické vlastnosti, což z nich činí silného kandidáta pro použití v termoelektrických systémech.

Jak se připravují 2D polovodičové materiály pro memristory?

Příprava 2D materiálů pro memristory je výzvou, přičemž metody syntézy a přenosu těchto materiálů hrají klíčovou roli v jejich aplikacích. Složitost spočívá nejen v dosažení požadovaných fyzikálních vlastností, ale také v překonání technologických a materiálových omezení. Tento proces vyžaduje pečlivé řízení různých faktorů a vyvážení mezi kvalitou a výtěžností syntézy. V současnosti existuje několik metod pro přípravu 2D materiálů, z nichž každá má své výhody a nevýhody.

Jedním z nejběžnějších přístupů je mechanické exfoliace, při které se mechanickými silami oddělují jednovrstvé nebo několik vrstev 2D materiálů z objemového materiálu. Tato metoda byla poprvé úspěšně aplikována na grafen, kdy Novoselov a Geim použili lepicí pásku k oddělení jednovrstvého grafenu z grafitu. Přestože tento postup poskytuje materiál s nízkým výtěžkem a malou plochou, je stále užitečný pro studium vrstvové korelace v 2D memristorech, protože umožňuje získání čistých 2D krystalů různých vrstev.

Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je další široce používanou metodou pro přípravu 2D materiálů, která umožňuje syntézu materiálů ve velkém měřítku a s vysokou kvalitou. Při tomto procesu je substrát vystaven několika různým prekurzorům, které chemicky reagují a vytvářejí tenkou vrstvu na povrchu. Tato metoda je ideální pro výrobu memristorů, protože nabízí flexibilitu při výběru prekurzorů, což otevírá nové možnosti pro syntézu materiálů. Avšak samotný proces CVD čelí řadě výzev, jako je složitost řízení procesních parametrů, obtížnost kontrolování reakčních podmínek a vysoké teploty potřebné pro růst materiálů, což může být nekompatibilní s některými substráty.

Exfoliace v kapalné fázi (LPE) je metodou, která je vhodná pro velkoobjemovou exfoliaci 2D materiálů. Tento proces je podobný mechanické exfoliaci, ale místo mechanických sil využívá slabé van der Waalsovy síly mezi vrstvami materiálu. LPE je efektivní, šetrná k životnímu prostředí a nákladově efektivní, což ji činí atraktivní pro průmyslovou výrobu memristorů. Nicméně, je stále obtížné vyvážit výtěžnost a kvalitu materiálu při použití tradičních rozpouštědel. Nové metody vylepšení rozpouštědel mohou zvýšit výtěžnost, ale často zanechávají rezidua, která mohou ovlivnit vlastnosti materiálů.

Pro přenos 2D materiálů je často nutné je přenést na substráty, které nejsou kompatibilní s procesem syntézy, jako je například safír. Tento přenos může být proveden suchým nebo mokrým způsobem. Suchý přenos zahrnuje metody jako je přenos za pomoci PDMS, vdW interakce nebo přenos za podmínek mimo atmosféru. Přenos za pomoci PDMS je jednou z nejběžnějších laboratorních metod, která zachovává inherentní stav materiálu, ale může zanechat rezidua PDMS na povrchu. Při použití této metody je úspěšnost přenosu závislá na hladkosti cílového substrátu – na atomové hladkosti dosahuje úspěšnost přenosu až 100 %.

Mokré metody přenosu, jako je přenos za pomoci PMMA nebo PLLA, umožňují velkoplošné přenosy 2D materiálů. Metoda PMMA je nejběžnější, ale může přinášet značné množství nečistot, což zhoršuje kvalitu přenášených materiálů. Naopak, metoda PLLA je rychlejší a efektivnější, protože minimalizuje generování krystalových defektů během přenosu.

Příprava konečné elektrody, která je klíčová pro výrobu memristorů, je jedním z nejtěžších kroků v jejich výrobě. Na rozdíl od spodní elektrody, která je umístěna přímo na RS vrstvě, musí být horní elektroda umístěna přesně, aby nedošlo ke zkratu. K tomu se běžně používá litografie nebo metody, které nevyžadují použití fotorezistů. Pokud jsou rezidua fotorezistů na povrchu, mohou ovlivnit výkon memristorů. Novější metody, jako je depozice SiO2 na spodní elektrodě, umožňují přesné umístění horní elektrody bez kontaminace nebo zkratu.

Pochopení mechanismu zapamatování (RS) v 2D memristorech je nezbytné pro návrh vysoce výkonných a funkčně složitých memristorů. Materiály, které se používají pro 2D memristory, vykazují různé mechanismy RS, což je způsobeno jejich polovodičovými vlastnostmi a kvantovými efekty, které vznikají v důsledku ultratenké tloušťky. RS chování je velmi obtížné přímo pozorovat nebo měřit v samotném zařízení, což ztěžuje jednoznačné vysvětlení mechanismu. Mechanismus RS v memristorech je často složitý a zahrnuje kombinaci více mechanismů, spíše než jeden konkrétní.