Jaký vliv mají vdW síly na struktury heterostruktur 2D polovodičů a jejich elektronické vlastnosti?

Van der Waalsovy (vdW) síly mezi vrstvami hrají klíčovou roli při udržování integrity struktury, protože jsou relativně slabé, což umožňuje sestavování různých materiálů bez silných chemických vazeb. Tato slabá interakce poskytuje vrstvě dostatečnou flexibilitu, což vede k formování ostrých rozhraní a zachování individuálních vlastností každého materiálu. Díky těmto vdW silám je možné dosáhnout správného zarovnání krystalových mřížek materiálů ve vrstvených heterostrukturách. Tento proces je nezbytný pro dosažení požadovaného elektronového pásového zarovnání, které vede k efektivnímu přenosu a separaci nábojů.

Homostruktury, na druhé straně, zahrnují skládání více vrstev stejného 2D polovodičového materiálu na sebe. Tento proces vytváří pravidelný vzorec identických vrstev a vdW síly opět hrají rozhodující roli při stabilizaci vertikálního vrstvení. Slabé mezivrstevové interakce umožňují tvorbu pravidelných opakujících se vzorců, s přesným zarovnáním (AB vrstvení) nebo specifickým rotačním úhlem (AA vrstvení), což vede k tvorbě různých elektronických vlastností.

Vedle vertikálního vrstvení se v 2D polovodičích hovoří také o laterálním vrstvení, což znamená uspořádání jednotlivých vrstev polovodičů vedle sebe na substrátu, čímž vzniká laterální hromada. Vlastnosti laterálních hromad 2D polovodičů mohou být ovlivněny mezivrstevovými interakcemi a pořadím vrstvení, což následně ovlivňuje jejich elektronické, optické a transportní vlastnosti. Podobně jako u vertikálního vrstvení, i laterální vrstvení lze řídit za účelem vytvoření heterogenních struktur se specifickými vlastnostmi kombinováním různých 2D polovodičových materiálů.

Pro lepší pochopení vlivu vrstvení na TMDCs (přechodné metalické dichalkogenidy) je důležité si uvědomit jejich strukturu. TMDCs krystalizují jako vrstvené sloučeniny s atomy kovu umístěnými mezi atomy chalcogenidů v poměru 1:2. TMDCs s formulí MX2 (kde M je přechodný kov a X je chalcogen) se staly základním stavebním kamenem post-grafenového věku. Existuje přibližně 40 různých sloučenin TMDCs, které obsahují přechodné kovy z prvků skupin 4, 5, 6, 7, 9 a 10 periodické tabulky. Chalcogeny v těchto materiálech zahrnují síru (S), selen (Se) a tellur (Te). V rámci chemie jsou kovy a chalcogeny kovalentně vázány v rámci jedné vrstvy, zatímco vrstvy jsou drženy pohromadě pomocí vdW vazeb.

Strukturální charakteristika těchto materiálů umožňuje různé typy vrstevnatých TMDC, které lze přirovnat k atomicky tenkým stavebním blokům, podobně jako Lego kostičky. Tyto vrstvy lze skládat vertikálně nebo laterálně za účelem vytvoření struktur s neobyčejnými vlastnostmi. Pokud jsou dvě vrstvy propojeny v rovině, vznikne laterální heterostruktura. Pokud je jedna vrstva naskládána na jinou, vytvoří se vertikální heterostruktura. Počáteční experimentální příklady vertikálního vrstvení různých 2D materiálů byly dosaženy prostřednictvím řízeného přenosu exfoliovaných filmů nebo přímo růstem různých TMDC na předchozích vrstvách.

Pokud jde o specifickou strukturu atomů v TMDCs, je důležité pochopit, že zahrnují dvě tetraedrické konfigurace uspořádané v opačných orientacích. Tyto fáze, označované jako H a T fáze, jsou definovány konfigurací těchto tetraedrů. H fáze vykazuje trigonální prismatickou strukturu, zatímco T fáze obvykle vykazuje octahedrální strukturu s distorzí. Tyto rozdíly v uspořádání vrstev mají přímý vliv na elektronickou konfiguraci a vlastnosti materiálů.

Pochopení těchto faktorů je zásadní pro pochopení, jak vrstvu po vrstvě stavět heterostruktury s požadovanými elektronickými vlastnostmi. Například nové výzkumy v oblasti asymetrických Janus monovrstvových struktur, jako je MoSSe, ukazují na nové možnosti v optimalizaci fotokatalytických vlastností pomocí vdW interakcí v heterostrukturách. Pokroky v této oblasti, včetně vertikálních a laterálních heterostruktur, dávají naději na vývoj vysoce účinných zařízení pro fotovoltaiku a fotodetekci.

Jak se vyvíjejí dvourozměrné feroelektrické materiály a jaké mají potenciální aplikace?

Tento problém vyvolal zaměření výzkumu na nízkorozměrné materiály, zejména na atomárně tenké dvourozměrné (2D) materiály. Tyto materiály se vyznačují rozhraními bez visících vazeb, což je činí vhodnými pro aplikace budoucí generace zařízení. 2D feroelektrické materiály se mohou stát základem pro inovativní technologické aplikace, jako jsou tranzistory s vysokou rychlostí a nízkou spotřebou energie, nelineární paměťové zařízení, senzory a mnoho dalšího.

Přínos pokroku v technologiích výroby a charakterizace 2D feroelektrických materiálů je nezanedbatelný. Mezi standardní metody syntézy patří chemická depozice z fáze páry (CVD), fyzikální depozice z fáze páry (PVD), molekulární epitaxe, mechanické exfoliace a další. Charakterizace atomárně tenkých feroelektrických materiálů představuje výzvu, kterou vědecká komunita stále řeší. Mezi běžně používané techniky charakterizace patří mikroskopie piezoresponzivní silou (PFM), generování druhého harmonického signálu (SHG), skenovací tunelová mikroskopie (STM) a transmisní elektronová mikroskopie (TEM).

Feroelektrická povaha materiálu může být zkoumána pomocí PFM, která měří velikost piezoelektrické odpovědi. Mikroskopie SHG využívá druhý nelineární optický proces, kde absence centrální symetrie přirozeně vede k výskytu SHG u feroelektrických materiálů. Elektronické vlastnosti materiálů lze získat pomocí STM, což je metoda spočívající v použití kovové hrotu při zachování konstantního tunelového proudu. TEM je technika, která se zakládá na interakci vysokoenergetických elektronů s jednotlivými atomy a může poskytnout podrobné informace o vnitřní struktuře materiálů.

První experimentální realizace 2D feroelektrických vlastností byla pozorována v sloučenině CuInP2S6, která vykazuje vrstvenou strukturu. Toto pozorování room-temperature feroelektrických vlastností v objemovém materiálu CuInP2S6 pro tloušťky nad 100 nm bylo zveřejněno Belianinovem a kolegy. Tento objev nastartoval další výzkum vlastností 2D feroelektrických materiálů v jejich atomárně tenkém stavu. V posledních studiích bylo hlášeno objevení intrinsických room-temperature 2D feroelektrických vlastností v několika materiálech. Mezi nejvýznamnější příklady experimentálně realizovaných 2D feroelektrik patří CuInP2S6, SnTe, β'-In2Se3, WTe2 a Bi2O2Se.

Významným objevem bylo potvrzení existence ferroelectrické polarizace ve vrstvách CuInP2S6 s několika vrstvami, kde byl pozorován fázový přechod při teplotě 320 K. PFM a SHG techniky byly klíčové pro tento objev. V roce 2016 byl pomocí STM potvrzen výskyt in-plane feroelektricity v 2D SnTe. Monovrstvová struktura SnTe vykazovala zkroucenou mřížkovou strukturu při velmi nízkých teplotách, což vedlo k detekci spontánních domén a elektrické polarizace v tomto materiálu.

Jak 2D materiály mění budoucnost elektroniky: aplikace a možnosti

Moderní softwarové balíčky pro výpočet elektronických struktur materiálů jsou dnes schopny spočítat důležité parametry, jako je volná energie, spontánní polarizace, fázový rozptyl fononů, efektivní Bornův náboj a piezoelektrický koeficient. Tyto materiálové parametry se dají využít k předpovědi vlastností zařízení. V oblasti nízkorozměrných materiálů dominují 2D materiály, které vykazují neuvěřitelný potenciál pro aplikace v elektronice, optoelektronice, spintronice, katalýze, ukládání energie, biomedicíně a senzorice. Vysoký poměr povrchového a objemového poměru, schopnost ladění zakázané mezery a struktury pásu, absence visících vazeb na rozhraní, imunita vůči účinkům krátkého kanálu, vysoká mobilita v ultra-tenké formě a vynikající mechanická flexibilita činí 2D materiály vysoce perspektivními pro budoucí aplikace.

Podobně se objevují i ferroelektrické tranzistory typu Fe-FET (ferroelektrické tranzistory s polní efektovou technologií), které byly intenzivně zkoumány již od svého vzniku v roce 1957. Fe-FET je tranzistor, jehož kanálová vodivost je řízena přepínatelnou spontánní polarizací. To umožňuje nejen rychlé přepínání, ale také vysokou hustotu ukládání informací, což zmenšuje plochu potřebnou pro paměťová zařízení. Tradiční Fe-FET zařízení mohou mít problémy s depolarizačními poli, které vznikají v důsledku rozdílu mezi dielektrickými materiály a ferroelectrickými materiály, což způsobuje kolísání prahového napětí. Významný pokrok byl dosažen použitím ferroelectrických materiálů jako polovodičových kanálů, což pomáhá eliminovat depolarizační efekt a zlepšuje spolehlivost zařízení.

Další zajímavou oblastí, která si získává stále větší pozornost, je neuromorfní výpočetní technika. Tradiční von Neumannova architektura byla navržena pro náročné výpočetní algoritmy, ale s nástupem nových technologií je potřeba přehodnotit způsob, jakým jsou informace zpracovávány. Neuromorfní výpočetní systémy, které se inspirovaly strukturou lidského mozku, by mohly poskytovat výkonnější a energeticky efektivnější způsoby řešení složitých výpočtů.

Přestože 2D materiály a nové ferroelectrické struktury přinášejí nové možnosti, pro jejich široké komerční nasazení je nutné ještě vyřešit několik výzev, jako je zlepšení stabilizace materiálů, zajištění jejich dlouhodobé spolehlivosti a překonání problémů s integrací do existujících výrobních procesů. Významnou roli zde budou hrát i pokroky v oblasti teorie materiálů, které umožní predikovat a optimalizovat jejich vlastnosti pro konkrétní aplikace.

Jak 2D polovodiče překonávají bariéry miniaturizace a vytvářejí nové aplikace

Integrace různých materiálů a potenciál dvourozměrných polovodičových materiálů (2D-SCM) v překonávání bariér miniaturizace představují oblasti s velkým výhledem na růst. Budoucí výzkum by měl směřovat k integraci 2D-SCM s jinými materiály za účelem vytvoření vysoce výkonných elektronických zařízení a systémů. Díky svým unikátním vlastnostem se 2D-SCM ukazuje jako vhodné pro různé elektronické a fotonické aplikace. Přesto však přetrvávají výzvy jako stabilita a mobilita nositelů náboje. Pokroky by měly směřovat k integraci materiálů, metodám syntézy ve velkém měřítku a aplikacím, které přesahují rámec elektroniky.

I když má 2D-SCM mnoho slibných aplikací, jak v elektronice, tak i v optoelektronice, je stále nutné zlepšit stabilitu těchto materiálů, což je klíčovým faktorem pro jejich širší využití. Materiály jako MoS2 nebo borofen, které patří mezi 2D polovodiče, vykazují vynikající elektrické a optické vlastnosti, ale problémy s jejich dlouhodobou stabilitou v prostředí zůstávají nevyřešené. Pro zvýšení spolehlivosti je tedy nezbytné zaměřit se na metodiky syntézy a procesy, které mohou zajistit dlouhodobou výkonnost materiálů ve složitých podmínkách.

Další výzvou je mobilita nositelů náboje. V současnosti je mobilita elektronů a děr v 2D materiálech, jako je MoS2 nebo WS2, nižší než v tradičních materiálech, jako je křemík. To omezuje schopnost těchto materiálů efektivně provádět složité výpočty nebo poskytovat potřebnou rychlost v aplikacích, kde je vysoká rychlost přenosu dat klíčová. Přesto je možné očekávat, že s pokrokem v oblasti heterogenní integrace a modifikace materiálů bude možné tuto bariéru překonat.

Dalším klíčovým bodem pro rozvoj 2D polovodičových materiálů je jejich výroba ve velkém měřítku. V současnosti se většina výzkumu zaměřuje na laboratorní výrobu a malé množství materiálu, což omezující rozvoj komerčně dostupných aplikací. Pokroky ve velkoobjemové syntéze a zajištění stabilních výrobních procesů jsou nezbytné pro jejich praktické využití v komerčních elektronických zařízeních.

2D-SCM mají také potenciál posunout hranice aplikací mimo tradiční elektroniku. Například v oblasti fotoniky mohou tyto materiály nabídnout nové možnosti pro vývoj fotonických čipů, které jsou schopny efektivněji manipulovat s světlem a umožňují nové způsoby výpočtu nebo přenosu dat. Tato schopnost kombinovat elektrické a optické vlastnosti by mohla vést k revoluci v návrhu nových zařízení pro kvantové výpočty nebo pokročilou senzoriku.

Budoucnost 2D polovodičových materiálů je tedy plná možností, ale je třeba vyřešit klíčové výzvy. Zlepšení stability, zvýšení mobility nositelů náboje, pokrok ve výrobních metodách a rozvoj heterogenní integrace budou klíčovými oblastmi, na které je třeba se zaměřit. Tyto pokroky umožní, aby 2D materiály nejen splnily, ale i předčily současné požadavky moderní elektroniky a fotoniky, čímž otevřou cestu k novým aplikacím v oblastech, které si dnes teprve začínáme představovat.