2D-halvledermaterialer (2D-SCM’er) har opnået betydelig interesse på grund af deres unikke termiske og mekaniske egenskaber, som spiller en afgørende rolle i udviklingen af fremtidens elektroniske og fleksible enheder. Særligt overgangsmetal-dichalcogenider (TMD’er) adskiller sig fra grafen ved deres krystallinske gitterstruktur, hvilket påvirker fonontransporten og resulterer i lavere termisk ledningsevne. Hvor grafens termiske ledningsevne er stærkt afhængig af materiale-dimensionerne, er TMD’ers termiske ledningsevne mindre påvirket af størrelsesvariationer, hvilket kan tilskrives en kortere fononens middel frie vej (MFP).

Flere studier har fokuseret på TMD’er dannet af molybden (Mo) og wolfram (W), hvor teorier viser, at valget af overgangsmetal ikke markant ændrer termisk ledningsevne. Dog viser eksperimentelle resultater, at antallet af lag har en svagere effekt end først antaget. Isotopiske defekter kan dog have en markant indflydelse, som det ses i tilfældet med MoS₂, hvor defekter kan øge ledningsevnen med op til 50% sammenlignet med et perfekt monolag. Andre 2D-materialer som phosphorene udviser anisotropi i fonontransport afhængig af krystalretningen, hvilket yderligere understreger kompleksiteten i termiske egenskaber på nanoskalniveau.

Materialer som Bi₂Te₃ har vist bulk-lignende termisk ledningsevne ved få nanometers tykkelse, mens nye eksperimenter peger på, at termisk ledningsevne stiger med lagtykkelse, hvilket udfordrer tidligere antagelser om monotont fald. For eksempel viser N-graphdiyne nanomaterialer termisk stabilitet ved temperaturer op til 2000 K, hvilket er vigtigt for anvendelser i nanoelektronik, hvor overophedning kan forringe ydeevne.

Termisk ledningsevne er ikke kun vigtig for varmespredning, men også i forbindelse med termoelektriske materialer, hvor lav termisk ledningsevne kan øge effektiviteten. N-graphdiyne viser desuden temperaturinsensitivitet, hvilket skyldes minimale fonon-fonon spredningseffekter. Yngstes modul og ledningsevne i monolag som BeN₄, MgN₄ og PtN₄ varierer desuden med krystalretning (armchair vs. zigzag), og denne anisotropi kan ændre sig med temperaturen, især i PtN₄.

På det mekaniske plan er egenskaberne afgørende for fleksible elektroniske komponenter og energihøstning. Strukturelle ændringer i 2D-materialer, såsom MXenes, kan tilpasse både elektroniske og mekaniske karakteristika via overfladefunktionalisering med f.eks. fluor eller oxygen. Sådanne modifikationer kan ændre materialeegenskaber fra metaliske til halvleder, hvilket eksempelvis ses i Sc₂C, hvor overfladebehandling åbner et bredt båndgab fra 0,45 til 1,80 eV. Dette understreger, hvordan lagmodifikation kan kontrollere både ledningsevne og elasticitet.

TMD’er er særligt attraktive pga. deres justerbare båndgaber, som ændres fra indirekte til direkte, når materialet går fra bulk til få lag, hvilket er væsentligt for optoelektroniske anvendelser. Mekaniske undersøgelser med atomic force microscopy (AFM) har målt Young’s modul i MoS₂ monolag til ca. 180 N/m og for bilag til 260 N/m. Disse værdier er lavere end grafen, men betydelige for fleksible elektronikmaterialer. Kemisk dampaflejring (CVD) muliggør storskala produktion af TMD’er, men kan introducere ufuldkommenheder som påvirker mekaniske egenskaber. Derfor anvendes metoder som PDMS-behandling til at fjerne ujævnheder og dermed forbedre den mekaniske robusthed. Målinger for WS₂ og MoS₂ viser lignende elasticitetsmoduler, hvilket kan tilskrives deres nært beslægtede gitterstrukturer og bindinger.

Den korrelation, som teoretiske beregninger har forudsagt, er ikke altid i overensstemmelse med eksperimentelle data, hvilket fremhæver kompleksiteten i de mekaniske og termiske interaktioner i 2D-materialer. Forståelsen af disse sammenhænge er afgørende for at kunne integrere 2D-SCM’er i fleksible, slidstærke og termisk stabile nanodevices, hvor både holdbarhed og ydeevne er essentielt.

Endvidere spiller anisotropi i både termiske og mekaniske egenskaber en central rolle i designet af komponenter, der udnytter eller skal modstå retningafhængige belastninger. Dette gælder især i wearable teknologi og fleksible displays, hvor materialets respons på mekanisk deformation og temperaturvariationer kan påvirke funktionaliteten. Det er vigtigt at forstå, at egenskaber som termisk ledningsevne ikke kun påvirkes af grundmaterialets natur, men også af defekter, lagtykkelse, overfladebehandling og krystalorientering. Denne holistiske tilgang til 2D-materialers egenskaber muliggør optimering i både elektroniske, fotoniske og termiske anvendelser.

Hvordan MXene-baserede elektrostatisk induktionsteknikker forbedrer elektrochemiske superkondensatorer

I elektronisk udstyr transporteres elektriske bærere fra eksterne kredsløb til interne funktionelle komponenter via ledning af elektricitet. Dog oplever disse bærere altid nedbrydning undervejs, hvilket resulterer i en lavere enhedseffektivitet. For at imødekomme dette problem er en trådløs elektrostatisk induktionsteknik blevet udviklet, som kun aktiverer de oprindelige bærere inden for MXene-baserede elektrokemiske superkondensatorer. Eksperimenter og computersimuleringer har afsløret, at de oprindelige bærere effektivt bliver exciteret i det porøse MXene-materiale samt i metalfolieunderlaget og den ioniske elektrolyt i instrumentområder påvirket af AEF (elektrostatisk induktion), hvilket resulterer i en massiv energikapacitet på 541,6 F/g – en værdi, der er langt højere end de 258,5 F/g, der opnås gennem traditionel trådbaseret ledningsevne.

Dette induktionssystem er desuden blevet undersøgt for dets evne til at registrere trådløs nærhed med en høj følsomhed på 7,01 µA/m og en høj linearitet på 97,9 %, hvor indtrængningsdybden kan nå op til 20 cm. Derudover er det i stand til at identificere AEF-styrken med den højeste følsomhed på 14,4 mA/ν og en linearitet på 95,2 %. Disse intelligente funktioner er også blevet demonstreret i prototypenheder. MXenes åbner dermed op for et spændende potentiale i udviklingen af næste generations sensorer ved at udnytte deres funktioner i moderne kemi. De besidder fremragende elektrisk ledningsevne, høj hydrofilicitet, minimal diffusionsbarriere, høj ionmobilitet, et stort overfladeareal samt nem integration.

Dette afsnit fremhæver de nyeste fremskridt inden for MXene-teknologi og belyser deres vigtige rolle i analytisk detektion. Fremtidige perspektiver i udviklingen af MXene-baserede sensorer peger mod videre forskning, der skal udnytte disse materialers unikke egenskaber i praktiske applikationer som biosensorer og avancerede detektorer.

Når vi ser på metal-chalcogenider, som udgør en stor klasse af 2D-materialer, ser vi en materialekategori, der naturligt undgår grafens gapløse egenskaber, hvilket gør det muligt at absorbere lys og anvende det som en fotodetektor. Metal-chalcogenider opdeles i overgangsmetal- og hovedgruppemetal-chalcogenider afhængig af de elementer, der er til stede. TMD'erne (Transition Metal Dichalcogenides) har en struktur MX2 (hvor M = Mo, W, V, Nb og Ta), mens de mindre studerede overgangsmetal-trichalcogenider har formen MX3 (hvor M = Ti, Zr, Hf). Disse materialer har vækket stor interesse på grund af deres magnetiske egenskaber i få lag, og de er forbundet af van der Waals kræfter.

TMD'ernes optiske, elektriske og katalytiske egenskaber åbner døren til fremtidens optoelektroniske og elektriske apparater. En forøgelse af forståelsen af lavdimensional vdW-materialers (Van der Waals-materialers) egenskaber, især deres følsomhed overfor miljøfaktorer, er essentiel for at kunne udvikle avancerede, lyssensitiverede gasdetektorer. For eksempel har forskere lavet prototyper af nitrogendioxid-, ethanol- og acetonedetektorer baseret på zirkoniumtrisulfid (ZrS3), hvor både fotokonduktivitet og fotogating spiller en central rolle afhængigt af de anvendte lysbølgelængder. Resultaterne afslører, hvordan overfladetrappen i materialet fanger og spreder ladningsbærerne, hvilket skaber de karakteristiske I-V-figurer under bestemte lysforhold.

Phosphorene, en anden lovende 2D-materiale, har opnået betydelig opmærksomhed takket være sine unikke egenskaber som høj optisk absorption, stor tilgængelighed af bærere og andre attraktive kvaliteter. Phosphorene er et enkelt lag af sort fosforkrystaller og fungerer som et modstykke til grafen, men dets anisotrope ortorombiske krystalstruktur giver det ekstraordinære mekaniske, elektriske, optiske og transportegenskaber. Dette gør phosphorene særlig relevant i optoelektroniske applikationer. Især er det blevet fremhævet som et ideelt materiale til solenergiopsamling og lagring. Ved hjælp af fototermiske konverteringsteknikker kan man udvikle materialer, der både effektivt samler og lagrer solenergi, hvilket er afgørende for fremtidens bæredygtige energiløsninger.

Derudover har sort phosphorens evne til at danne faseændringsmaterialer, som har høj latent varme og gode termiske egenskaber, gjort det til et vigtigt studieområde for at optimere termisk ledningsevne i kompositter, der anvendes til energilagring. De nyeste fremskridt har vist, hvordan disse materialer kan eksfolieres og formes til effektive strukturer, hvilket muliggør bedre termisk styring.

MXenes og deres beslægtede materialer, som fosforen og metal-chalcogeniderne, åbner for en bred vifte af applikationer. For at realisere deres fulde potentiale er der dog behov for fortsat forskning og udvikling, især i retning af praktisk anvendelse i sensor- og energilagringssystemer. Disse materialer viser sig at være ikke kun yderst lovende i laboratoriet, men også i kommercielle applikationer, hvor deres egenskaber kan forbedre en lang række teknologiske løsninger.

Hvad betyder det at være en kopi?
Hvem kontrollerer virkeligheden, når selv matematikken begynder at vakle?
Hvordan Donald Trump afspejler og forstærker den amerikanske kollektive psykologi
Hvordan retfærdiggøres umoralske handlinger gennem kontekst og relativisme?