2D materiály, především tranzistorové monovrstvy a několika vrstevné TMDC (transition metal dichalcogenides) materiály, se v poslední době stávají klíčovými hráči v oblasti termoelektrických aplikací. To je možné díky jejich unikátním elektrickým, optickým a termickým vlastnostem, které nejsou v 3D materiálech běžně dosažitelné. Vysoká mobilita nositelů náboje, kontrolovatelné elektrické vlastnosti a specifické přechody mezi fázemi, umožňují vytvářet efektivní termoelektrické generátory, které mohou převádět teplotní gradienty na elektrickou energii.

Polovodiče z TMDC, jako je MoS2, MoSe2, WS2 a WSe2, jsou pro tyto aplikace zvláště zajímavé. Je známo, že tranzitní efektivní hmotnost těchto materiálů zvyšuje Seebeckův koeficient, což je klíčový parametr pro termoelektrické materiály. MoS2 a MoSe2 jsou typu n, zatímco WS2 a WSe2 vykazují p-typ. To je důsledkem přítomnosti přirozených „traps“ (zachytávajících míst), které umožňují udržení Fermiho hladiny v blízkosti vodivostní nebo valenční zóny. Tyto materiály, obzvláště v monovrstvých formách, vykazují extrémně vysoký Seebeckův koeficient, který může dosahovat hodnot až 30 mV K−1, což je výsledkem schopnosti zachytit fotonickou energii a transformovat ji na teplotní gradient.

Monovrstvy TMDC materiálů jako MoS2 vykazují vysoce neobvyklé vlastnosti, pokud jde o pohyb elektrických nábojů. Vlivem experimentů s teplotními změnami bylo ukázáno, že elektrony ve MoS2 kanálu podléhají fenoménu skákání, což negativně ovlivňuje jejich mobilitu a tím i elektrickou vodivost. Tento jev je přičítán vyšší hustotě sírových vad v MoS2, což snižuje mobilitu elektronů. I přes tento efekt, které by mohlo být nevhodné pro některé aplikace, výzkumy ukazují, že nižší vady a příslušná vylepšení mohou výrazně zvýšit výkon těchto materiálů pro termoelektrické aplikace.

Jedním z klíčových aspektů, který dává 2D TMDC materiálům výhodu, je vysoký power factor. Tento faktor je desetkrát vyšší než u 3D materiálů, což je způsobeno vysokou mobilitou nositelů náboje při stejné koncentraci nositelů. Tento jev ukazuje, že 2D materiály s velmi řízenou disperzí elektronů mohou poskytovat daleko lepší výkon než tradiční bulk materiály.

Phononová vodivost, která je klíčová pro tepelné ztráty v termoelektrických systémech, je v 2D materiálech značně anisotropní. V materiálech jako MoS2 a WSe2 je tepelné vodivost mnohem vyšší podél a- a b-osy než podél c-osy. Tato skutečnost je zásadní pro design termoelektrických zařízení, kde je potřeba minimalizovat tepelné ztráty, aniž by to negativně ovlivnilo elektrický výkon.

Další materiál, který přitahuje pozornost v oblasti termoelektrických aplikací, jsou MXeny. Tyto 2D materiály, vyvinuté v roce 2011, mají jedinečnou strukturu Mn+1Xn, kde M představuje přechodný kov a X karbon nebo dusík. MXeny, zejména na bázi molybdenu, mají vysokou elektrickou vodivost a termoelektrické vlastnosti, které je činí vysoce účinnými pro konverzi tepelné energie na elektrickou. Zatímco pro jejich praktické aplikace je potřeba upravit povrchové vlastnosti a strukturu, výzkum ukazuje slibné výsledky, zejména pokud jde o Mo2TiC2Tx, který vykazuje vysoký termoelektrický výkon a stabilitu.

Zajímavým směrem je také zkoumání silicenu, materiálu, který sdílí mnoho vlastností s grafenem, ale přináší i nové možnosti, jako je lepší laditelnost zakázaného pásu a vyšší spin-orbitální interakce. To otevírá cestu pro nové aplikace ve spintronice a optoelektronice, kde jsou termoelektrické vlastnosti rovněž klíčové pro efektivní využití.

Pro dosažení skutečného pokroku v termoelektrických aplikacích je nezbytné dále zkoumat možnosti, jak optimalizovat fyzikální vlastnosti těchto 2D materiálů. Kromě základního výzkumu materiálů je rovněž kladeno důraz na vysoce kvalitní metody exfoliace a nanostrukturalizace, které by umožnily masovou výrobu a efektivní využití těchto materiálů ve skutečných aplikacích.

Jak měřit tepelnou vodivost a mechanické vlastnosti dvourozměrných polovodičů?

Dvourozměrné polovodiče, jako jsou materiály třídy TMDC (transition metal dichalcogenides), mají výjimečné strukturální, mechanické a fyzikální vlastnosti, které je činí vysoce atraktivními jak pro základní vědecký výzkum, tak pro praktické inženýrské aplikace. Tyto materiály jsou obzvláště slibné pro použití v široce rozšířených elektronických zařízeních, flexibilních displejích, chytré diagnostice zdraví, nositelných počítačích a integrovaných obvodech. S pokrokem v oblasti integrovaných obvodů (IC), které vykazují rychlejší přepínací rychlosti, větší počet tranzistorů a vyšší hustotu integrace, je stále důležitější řízení spotřeby energie. Místní zvýšení teploty v IC může vést k degradaci výkonu, což činí pochopení tepelných vlastností dvourozměrných materiálů zásadní.

Existuje několik metod pro hodnocení tepelných vlastností dvourozměrných materiálů. Mezi nejběžnější patří Ramanova spektroskopie, metoda časově závislé termoreflektance (TDTR) a skenovací tepelná mikroskopie (SThM). Tyto techniky umožňují neinvazivně zkoumat tepelnou vodivost materiálů, což je klíčové pro zlepšení výkonu v různých elektronických zařízeních.

Ramanova spektroskopie je založena na citlivé reakci frekvence fononů na změny teploty. I když samotné optické fonony nemusí významně přenášet teplo, jejich vibrace reagují na lokální změny teploty způsobené externími faktory. Pomocí této techniky lze odhadnout tepelnou vodivost dvourozměrných materiálů.

SThM (scanning thermal microscopy) je dalším efektivním nástrojem, který využívá speciální mikroskopický hrot s termoelektrickým prvkem. Tento hrot slouží jako zdroj tepla pro měření tepelné vodivosti. Při přiblížení hrotu k povrchu materiálu dojde k ochlazení hrotu díky přenosu tepla na vzorek, což způsobí změnu odporu hrotu, a tím i výstupní napětí. Tento proces umožňuje měření tepelného toku směrem k materiálu a jeho tepelné vodivosti. SThM je výhodná tím, že není omezena optickým rozlišením, což ji činí ideální pro studium vzorků s velmi malými rozměry (až 50 nm).

Další metoda, TDTR, využívá femtosekundový pulzní laser, který je rozdělen na dvě části: jedna část zahřívá vzorek, zatímco druhá provádí měření termoreflektance. Pomocí této techniky je možné měřit tepelnou vodivost s vysokou přesností. TDTR je zvláště užitečná pro analýzu tepelného chování materiálů v reálném čase, například během elektrochemických procesů.

Kromě výše uvedených technik byla vyvinuta i nová metoda, která umožňuje reverzibilně modulovat tepelnou vodivost materiálu pomocí elektrochemické interkalace Li-iontů do mezivrstev vdWs heterostruktur. Tento přístup umožňuje dosáhnout až desetkrát vyšší změny tepelné vodivosti, což má potenciál pro využití v dynamických termálních aplikacích. Pomocí operando TDTR mikroskopie lze sledovat rozložení Li-iontů v materiálu během elektrochemického cyklu.

Přestože se vývoj v oblasti tepelného řízení dvourozměrných materiálů soustředil především na zlepšení elektrických a optických vlastností, je také třeba brát v úvahu novinky v oblasti tepelných izolačních materiálů. Vědecký pokrok umožnil vytvoření heterostruktur s extrémně vysokým tepelným odporem, kde vrstvy atomárně tenkých materiálů, jako jsou grafen, MoS2 a WSe2, vykazují tepelné izolace lepší než materiály tisíckrát silnější než SiO2. Tento pokrok otevírá nové možnosti v oblasti fotoniky a dalších aplikací, které vyžadují extrémně tenkou tepelnou izolaci.

Další důležitou součástí zkoumání dvourozměrných polovodičů je jejich mechanické vlastnosti, které hrají klíčovou roli v oblasti flexibilní elektroniky. Zatímco grafen je považován za nejsilnější materiál, jeho nedostatek zakázaného pásu omezuje jeho použití v polovodičových aplikacích. V tomto kontextu získávají materiály jako MoS2, WS2 a WSe2 stále větší význam. Tyto materiály mají široké možnosti použití v elektronice a optoelektronice díky své schopnosti přecházet z nepřímého zakázaného pásu v hromadném stavu na přímý zakázaný pás v monovrstvách.

Kromě elektronických a optických vlastností jsou mechanické vlastnosti dvourozměrných TMDC materiálů klíčové pro jejich využití v oblasti flexibilní elektroniky. Pochopení těchto vlastností, zejména pro aplikace, které vyžadují mechanickou odolnost při minimálním objemu, je nezbytné pro vývoj nových produktů, jež kombinují vysoký výkon a flexibilitu.

Při zkoumání mechanických vlastností TMDC materiálů byly použity techniky, jako je atomární silová mikroskopie (AFM), které poskytují podrobné informace o jejich elasticitě a pevnosti. Tyto materiály vykazují výjimečnou odolnost vůči mechanickému namáhání, což je činí ideálními pro použití v aplikacích, kde je potřeba flexibilita a vysoká mechanická pevnost.

Ve všech těchto oblastech je nezbytné kombinovat různé experimentální metody pro získání komplexního obrazu o vlastnostech dvourozměrných materiálů, aby bylo možné jejich výkonnost efektivně optimalizovat pro různé aplikace.

Jaké fáze se objevují v TMDC materiálech a jak ovlivňují jejich elektronické vlastnosti?

V oblasti výzkumu dvourozměrných materiálů, zejména v materiálech TMDC (transition metal dichalcogenides), je důležité porozumět různým strukturním fázím, které tyto materiály mohou vykazovat, a jak ovlivňují jejich elektronické a optoelektronické vlastnosti. TMDC materiály mohou existovat v několika fázích, přičemž každá z nich má odlišné charakteristiky, které jsou klíčové pro jejich aplikace v moderní elektronice a fotonice. Dvě nejvýznamnější fáze, které jsou v TMDC materiálech pozorovány, jsou fáze 2H a 1T, přičemž každá z nich má odlišné termodynamické a elektronické vlastnosti.

Fáze 2H je obecně považována za stabilnější, zejména u sloučenin tvořených přechodovými kovy z páté a šesté skupiny periodické tabulky, jako je MoS2 nebo WS2. Tato fáze vykazuje charakteristiky polovodiče, což znamená, že vykazuje přímou elektronovou mezeru, která je velmi žádoucí pro aplikace v tranzistorech a fotonických zařízeních. V případě monokrystalů TMDC materiálů v této fázi je valenční pás (VBM) a vodivostní pás (CBM) uspořádány na vysoce symetrickém K bodě, což znamená, že materiály vykazují přímou mezeru, která zlepšuje efektivitu přenosu elektronů v aplikacích, jako jsou diody a fotonické systémy.

Na druhé straně fáze 1T, která se vyskytuje v některých TMDC materiálech, vykazuje odlišnou elektronickou strukturu a často je považována za metastabilní fázi, která se objevuje při specifických podmínkách, například při vysokých teplotách nebo pod tlakem. Tato fáze je typická pro materiály s kovovými vlastnostmi, jako je TiSe2 nebo ZrTe2, které vykazují semimetalické vlastnosti, kdy dochází k mírnému překrytí horní hrany valenčního pásu a dolní hrany vodivostního pásu. Tento typ materiálů se využívá v optoelektronických aplikacích, kde jsou požadovány materiály s dobrými vodivostními vlastnostmi.

Je rovněž důležité vzít v úvahu fakt, že přechod mezi fázemi 2H a 1T může být důležitý pro tvorbu nových materiálů s vysoce specifickými vlastnostmi. Některé TMDC materiály, jako je WTe2, mohou být stabilní v ortorombické fázi 1Td při pokojové teplotě, což ukazuje na různorodost fázového chování v těchto materiálech. Vědecký výzkum se stále více zaměřuje na pochopení podmínek, za kterých mohou tyto fáze přecházet, a jak lze tento přechod využít pro aplikace v elektronice a fotonice.

Významné pokroky byly dosaženy i ve výzkumu optoelektronických vlastností 2D TMDC materiálů, zejména pokud jde o jejich schopnost vykazovat přímou mezeru v elektronové struktuře při ztenčení materiálu na monovrstvu. Tento přechod z materiálu s nepřímou mezerou na materiál s přímou mezerou má zásadní vliv na vlastnosti materiálu, jako je fotoluminiscence a účinnost optických zařízení, včetně LED diod a lasery na bázi 2D materiálů. V monovrstvách TMDC materiálů se zlepšuje kvantový výnos fotoluminiscence, což je důležité pro vývoj vysoce účinných fotonických zařízení.

Další oblastí, která byla intenzivně zkoumána, je vliv strukturálních vlastností TMDC materiálů na jejich optoelektronické vlastnosti. Je známé, že počet vrstev a způsob jejich uspořádání může zásadně ovlivnit elektronickou strukturu materiálu. Při ztenčování materiálu na monovrstvu dochází k výraznému zlepšení fotoluminiscenčního výkonu díky přechodu na přímou mezeru. Takové materiály vykazují vynikající vlastnosti pro aplikace v oblasti optických modulátorů, fotodetektorů a dalších pokročilých fotonických zařízení.

Vědecký výzkum se rovněž zaměřuje na využití těchto materiálů ve formě heterostruktur, které kombinují různé vrstvy TMDC materiálů nebo TMDC materiálů s plasmonickými nanostrukturami. Tento přístup umožňuje dosažení silných světelných a materiálových interakcí, které mohou významně zlepšit výkon optoelektronických zařízení, jako jsou LED diody, fotonické čipy a lasery. Experimenty ukazují, že TMDC materiály mají velký potenciál pro aplikace v oblasti kvantové optiky a zpracování světla, a to díky jejich schopnosti vytvářet excitony s vysokou vazebnou energií a díky absenci visících vazeb.

Pro využití těchto materiálů v optoelektronických zařízeních je klíčová optimalizace struktury a syntézy těchto materiálů. Je nutné podrobně zkoumat jejich chování při různých podmínkách a porozumět tomu, jak se jednotlivé fáze chovají na úrovni monovrstvy, což umožní návrh a výrobu nových, vysoce výkonných optoelektronických komponent.

Jak se v minulosti tvořily legendy o kovbojích?
Jak nekonečný vesmír ovlivňuje naše vnímání reality?
Jak ovlivňuje tragédie lidské životy a víru?
Jaké vlastnosti 2D polovodičových materiálů umožňují jejich využití v moderních technologiích?