Hvordan breddespændte 2D halvledere påvirker fremtidens elektronik og energiteknologi

2D halvledere har i de seneste år tiltrukket stor opmærksomhed på grund af deres unikke elektriske og optiske egenskaber. De adskiller sig markant fra traditionelle 3D materialer, idet deres atomare lagstrukturer tillader usædvanlige kvantefysiske effekter, som ikke findes i bulkmaterialer. Et særligt fokus har været på materialer som MoS2, SnS2 og 2D perovskitter, som har vist sig at have fremragende elektrisk mobilitet og optiske egenskaber, der gør dem ideelle til anvendelser i både elektroniske og fotoniske enheder.

Eksempelvis har SnS2 FET-enheder, der anvender en væskebaseret top-gate med deioniseret vand som dielektrikum, vist imponerende resultater. Denne teknologi har opnået en mobilitet på op til 230 cm² V⁻¹ s⁻¹, hvilket giver en utrolig effektivitet og en sub-threshold swing på omkring 80 mV/dekade. Denne egenskab gør det muligt at opnå en switching-ratio over 106, hvilket gør SnS2 til et lovende kandidatmateriale for fremtidens højeffektive halvlederkomponenter.

Derudover har 2D perovskitter, som er særligt lovende til lys-emitterende enheder som LED'er, vist sig at kunne tilpasse deres brede bandgab og har en bemærkelsesværdig fotoluminescenskvantelydelse (PL QY) på op til 35%. Dette gør dem attraktive til at generere lys i det orange til violet spektrum. Ændring af forholdet mellem komponenterne i perovskitmaterialet, såsom PBABr og CsPbX3, muliggør præcis kontrol af lys-emissionsfrekvenser, hvilket åbner op for nye muligheder for farvekontrolleret belysning.

Udover deres optiske egenskaber er 2D materialer som MoS2 og WeS2 blevet genstand for intens forskning på grund af deres potentiale i energilagring. De atomare lag og den store overflade giver 2D materialer en hidtil uset elektro-kemisk aktivitet. Især MoS2 har vakt stor interesse som anodemateriale i Li-ion batterier på grund af dets evne til at interkalere Li⁺ ioner uden at ændre volumen betydeligt, hvilket forhindrer nedbrydning af aktive komponenter under opladning og afladning. Denne stabilitet og høje teoretiske kapacitet på op til 670 mAh g⁻¹ gør det til et ideelt materiale for fremtidens batteriteknologi.

Fremkomsten af bredspændte 2D halvledere åbner døren for en række nye anvendelser inden for kvanteteknologi, fotodetektorer, gassensorer og piezoelektronik. For eksempel, som set i en undersøgelse af ZnIn2S4, giver 2D halvledere i sub-nanometer dimensioner anledning til kvanteeffekter som forbedrede excitoniske effekter og kvante Hall-effekter. Disse unikke egenskaber gør materialerne attraktive for udvikling af kvantecomputere og avancerede sensorer.

Der er dog flere udfordringer, som stadig står i vejen for bredere anvendelse af disse materialer. En af de største forhindringer er fremstillingsprocessen, hvor præcis kontrol over vækst og overførsel af disse materialer på stor skala er teknisk krævende. Desuden er 2D materialer, ligesom andre halvledere, følsomme over for miljømæssige faktorer som fugt og ilt, hvilket kan føre til nedbrydning af materialernes egenskaber. Dette kræver videreudvikling af beskyttelseslag og bedre forståelse af materialernes adfærd under realverdensbetingelser.

Endtext

Hvad afslører nanoindentation om de elastiske egenskaber af 2D materialer som MoS2 og MoTe2?

Nanoindentation er en kraftfuld teknik, der anvendes til at bestemme de mekaniske egenskaber af to-dimensionelle (2D) materialer. Gennem denne proces kan vi opnå detaljerede målinger af materialernes elastiske modulus og brudstyrke. For monolag MoS2, for eksempel, blev der ved hjælp af nanoindentation målt en 2D-modul på 180 ± 60 N/m, hvilket svarer til en 3D-modul på 270 ± 100 GPa. Brudstyrken blev vurderet til at være 15 ± 3 N/m, svarende til 23 GPa. Disse værdier er langt lavere end for monolag grafen, men er stadig flere gange stærkere end stål. Når man sammenligner bilag MoS2 med monolagene, findes en lidt højere 2D-modul, som ligger på 260 ± 70 N/m.

Selvom MoS2 viser sig at være stærkt, afslører nanoindentation også, at bilagene (flere lag af materialet) har en lidt lavere mekanisk styrke. Dette skyldes mulige defekter eller glidning mellem lagene. I modsætning hertil er de elastiske egenskaber og brudstyrkerne af MoTe2 meget forskellige. Når vi ser på MoTe2 i sine tre forskellige faser — 2H, 1T′ og Td — afslører nanoindentation, at de har næsten identiske 2D-moduli, men deres brudstyrker varierer markant. For eksempel er strukturen i 1T′ og Td-faserne forvrænget, hvilket skaber en ujævn fordeling af bindestyrken og dermed lavere brudstyrker.

Nanoindentation bruges desuden til at studere anisotropi i 2D materialer. Anisotropi refererer til, at et materiales mekaniske egenskaber varierer afhængigt af retningen i materialet. Mange 2D materialer, herunder MoTe2, udviser anisotrope egenskaber, hvilket betyder, at de reagerer forskelligt på kræfter i forskellige retninger. Dette giver vigtige indsigter i, hvordan disse materialer kan bruges i teknologiske anvendelser, hvor præcision og styrke er afgørende.

En anden vigtig observation er, at bilagene i heterostrukturer (forskellige materialelag lagt sammen) udviser et lavere samlet elastisk modul end summen af de enkelte lag, hvilket tyder på, at interaktionen mellem lagene kan svække den samlede stivhed. For eksempel, når MoS2 og WS2 lægges sammen i heterostrukturer, viser de lidt lavere 2D-moduli sammenlignet med deres individuelle moduli som monolag, men de er stadig tæt på bilagene i MoS2.

Det er også interessant at bemærke, at nanoindentation kan bruges som en metode til at undersøge både isotrope og anisotrope 2D materialer. Ved at anvende metoden til et bredt spektrum af 2D materialer og heterostrukturer kan vi få en dybere forståelse af, hvordan lagene interagerer og hvilke mekaniske egenskaber, der er essentielle for optimeringen af disse materialer i fremtidige elektroniske og fotoniske applikationer.

De eksperimentelle data, der er opnået ved hjælp af nanoindentation, understøttes ofte af teoretiske simuleringer, som hjælper med at bekræfte målingernes nøjagtighed og give et mere omfattende billede af materialernes mekaniske opførsel. I tilfælde af MoS2 og WS2, for eksempel, har teoretiske beregninger vist, at deres gitterkonstanter og elastiske egenskaber er meget ens, hvilket gør dem ideelle til brug i heterostrukturer.

Når man arbejder med 2D materialer, er det vigtigt at forstå, at deres mekaniske egenskaber kan variere betydeligt afhængigt af faktorer som lagtykkelse, strukturel symmetri og interaktioner mellem lagene. Dette gør det muligt at skræddersy materialerne til specifikke anvendelser i teknologiske enheder, som for eksempel transistorer, sensorer og optoelektroniske komponenter. Nanoindentation giver derfor en uvurderlig metode til at karakterisere disse materialer og forstå deres egenskaber på et meget præcist niveau, hvilket er afgørende for deres fremtidige anvendelser.