Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Dvouvrstvé полупроводниковые материалы (2D SCM) jsou materiály, které se vyznačují vynikajícími optickými, elektrickými, termálními a mechanickými vlastnostmi. Jejich jedinečné chování na úrovni jednotlivých atomů je činí ideálními pro širokou škálu moderních aplikací, od optických a elektronických zařízení až po pokročilé senzory a materiály pro energetiku.
Optické vlastnosti dvouvrstvých полупроводниковých materiálů zahrnují jak lineární, tak nelineární chování. Lineární optické vlastnosti zahrnují absorpci, emisi a fotoluminiscenci, které jsou citlivé na kvantové efekty při interakci s světlem. Nelineární optické vlastnosti jsou důležité pro vývoj fotonických zařízení, jako jsou lasery a detektory. Zajímavou aplikací v této oblasti jsou fotodetektory, které využívají schopnost těchto materiálů detekovat světlo v širokém spektru. Kromě toho, při použití v laserech, tyto materiály vykazují vysoký výkon a nízkou spotřebu energie.
Důležitým faktorem, který ovlivňuje optické vlastnosti, je napětí (strain). Měněním napětí na 2D SCM můžeme ovlivnit energetické mezery a tím i optické vlastnosti materiálu. Tato schopnost adaptace na různé podmínky zajišťuje flexibilitu a širokou škálu použití v různých aplikacích, včetně fotoniky a optických komunikací.
Elektrické vlastnosti dvouvrstvých полупроводниковých materiálů jsou také klíčové pro jejich využití v tranzistorových a dalších elektronických zařízeních. Materiály jako MoS₂ (disulfid molybdenu) nebo WS₂ (disulfid wolframu) vykazují výbornou elektrickou vodivost a umožňují efektivní ovládání elektrického proudu na úrovni jednotlivých vrstev. Tento jev je využíván při výrobě tranzistorů, které jsou základním stavebním kamenem moderní elektroniky. Možnost tunování elektrických vlastností pomocí dopingu nebo elektrochemického řízení hustoty nosičů elektrického náboje dává těmto materiálům výhodu při výrobě vysoce výkonných a energeticky efektivních zařízení.
Termální vlastnosti těchto materiálů jsou rovněž velmi významné, zejména v kontextu jejich využití v mikroelektronice a optoelektronice. Měření termálních vlastností umožňuje navrhovat zařízení s minimálním zahříváním, což zlepšuje jejich stabilitu a spolehlivost. Vysoká tepelná vodivost v některých 2D SCM materiálech, jako je grafen, je využívána při návrhu tepelných izolačních materiálů pro mikroprocesory a jiná citlivá elektronická zařízení.
Mechanické vlastnosti dvouvrstvých полупроводниковých materiálů, včetně jejich pružnosti a pevnosti, jsou rovněž klíčové. Tyto materiály mohou být velmi tenké, což jim dává schopnost deformovat se bez poškození, a zároveň si zachovávají vysokou mechanickou pevnost. Taková kombinace vlastností je ideální pro flexibilní elektroniku, například v oblasti nositelných zařízení nebo displejů.
Je také nutné věnovat pozornost interakcím mezi jednotlivými vrstvami v heterostrukturách z těchto materiálů. Vrstvy mohou vykazovat různé elektrické, optické a mechanické chování v závislosti na jejich vzájemném uspořádání. Tento aspekt otevírá nové možnosti pro vývoj zařízení s novými vlastnostmi, které by nebylo možné získat s použitím tradičních 3D materiálů.
Aplikace těchto materiálů jsou skutečně rozmanité. V oblasti elektroniky mohou být využívány k výrobě tranzistorů, paměťových zařízení a senzory. V optických zařízeních se 2D SCM materiály používají pro detekci světla, generování fotonů a dokonce i pro vývoj nových laserů. Jejich termální a mechanické vlastnosti umožňují jejich využití v oblasti pokročilé výroby a v automobilech, kde mohou sloužit k vývoji lehkých a tepelně efektivních komponentů.
Vzhledem k tomu, že vývoj 2D materiálů je stále v plenkách, je nezbytné neustále se zaměřovat na zlepšování jejich vlastností. Například zvýšení stability a výkonu těchto materiálů v různých environmentálních podmínkách je klíčovým směrem pro jejich široké využití. Také je důležité pochopit výzvy, které se týkají jejich masové výroby a integrace do komerčně dostupných technologií.
Jaké materiály mohou vykazovat ferroelectricitu v 2D struktuře?
Ferroelectricita je vlastnost materiálů, které mají spontánní polarizaci, jež může být přepnuta v reakci na elektrické pole. Tento jev je důsledkem asymetrie krystalové struktury, kde není přítomna inverzní symetrie. V kontextu 2D materiálů se výzkum zaměřuje na materiály, které vykazují tuto vlastnost při extrémně malých tloušťkách, což je důležitý aspekt pro vytváření nových generací paměťových a logických zařízení. Mnoho takových materiálů bylo buď experimentálně prokázáno, nebo předpovězeno na základě ab initio výpočtů.
2D ferroelectricity se typicky rozděluje do několika kategorií, přičemž nejzajímavějšími jsou materiály bez van der Waals interakcí, materiály s těmito interakcemi a ferroelectricity indukované kovovými vlastnostmi.
V první skupině se nacházejí tradiční ferroelectricity materiály, jako jsou perovskity (BaTiO3, SrTiO3) a HfO2, u nichž bylo prokázáno, že udržují určitou míru ferroelectricity až do hranice 2D limitů. Snížením tloušťky těchto materiálů však dochází k postupnému ztrácení této vlastnosti, což je důsledkem vzniku nekompenzovaného depolarizačního pole. Tento efekt může být do určité míry zmírněn použitím vnějších faktorů, jako jsou napětí, defekty nebo jiné modifikace struktury.
Druhá skupina, materiály s van der Waals interakcemi (vdW), představuje nový směr ve výzkumu 2D ferroelectricity. Tyto materiály, jako As, Sb, Bi, Te nebo -In2Se3, vykazují spontánní polarizaci, která může být orientována jak v rovině materiálu (in-plane), tak kolmo k ní (out-of-plane). Některé materiály v této kategorii, například -In2Se3, vykazují jak in-plane, tak out-of-plane polarizaci při pokojové teplotě. Tyto vlastnosti dělají z 2D vdW ferroelectriků velmi zajímavé kandidáty pro aplikace v logických a paměťových zařízeních, kde je potřeba vysoká kompatibilita s moderními nanotechnologiemi.
Další skupinou jsou 2D ferroelectrické kovy, které byly dlouho považovány za nevhodné pro ferroelectricitu kvůli kovovým vlastnostem, které by měly tento jev potlačovat. Nicméně nedávné výzkumy ukázaly, že některé 2D kovové materiály, jako jsou CrN, LiOsO3 nebo 1T-WTe2, mohou vykazovat ferroelectricitu, což ukazuje na možnosti nových aplikací v oblasti paměťových technologií.
Kromě intrinsických ferroelectricit se výzkum zaměřuje i na extrinsické metody indukce ferroelectricity. To zahrnuje doping, inženýrství defektů, změnu složení, funkční úpravu povrchu a aplikaci napětí. Tyto metody umožňují přidání ferroelectricity do materiálů, které by ji za normálních okolností neprojevovaly. Například elektronový doping může způsobit ferroelectricitu v centro-symetrických materiálech, jako je CrBr3. Podobně, modifikace povrchu materiálů, jako je grafen, může vést k tvorbě ferroelectricity, když je podroben hydroxylaci.
V souvislosti s 2D materiály, které vykazují ferromagnetismus a ferroelectricitu, se objevují i materiály, které jsou schopny vykazovat více než jednu ferroickou vlastnost najednou. Tyto materiály, označované jako multiferroiky, mohou zahrnovat ferroelectricitu, ferromagnetismus a ferroelasticitu v jednom materiálu. Kombinace těchto vlastností má velký potenciál pro vývoj nových typů zařízení, která mohou využívat elektromagnetické pole a napětí pro přepínání mezi různými stavy. Příkladem takových materiálů jsou -In2Se3, MX (M: Ge, Sn; X: S, Se), CrI3 nebo MXeny. Multiferroiky se dělí na dva hlavní typy: typ I a typ II, přičemž typ II vykazuje silnější vzájemnou interakci mezi ferroelectricitou a ferromagnetismem, což je velmi zajímavé pro pokročilé aplikace.
Je důležité poznamenat, že při vývoji zařízení na bázi 2D ferroelectriků je kladeno velké důraz na kontrolu orientace polarizace a její stabilitu v extrémně tenkých vrstvách. Současné výzkumy ukazují, že i když tradiční ferroelectricity materiály mohou při ztenčení ztratit své vlastnosti, nové 2D materiály s van der Waals interakcemi, ferroelectrické kovy nebo materiály s indukovanou ferroelectricitou představují příslib pro budoucí generace elektronických a paměťových zařízení.