Hvordan 2D-materialer og MXene kan revolutionere termoelektriske applikationer

De sidste år har forskning i 2D-materialer som overgangsmetal-dikalcogenider (TMDC'er) og MXene ført til nye perspektiver inden for termoelektricitet og energikonvertering. Dette er ikke kun begrænset til deres unikke elektriske egenskaber, men også til den måde, hvorpå disse materialer kan manipulere varme og elektrisk strøm, hvilket har potentiel indflydelse på både energiproduktion og varmehåndtering. Især for materialer som MoS2, WSe2 og MXene, viser forskning lovende resultater, der indikerer en fremtidig anvendelse i termoelektriske enheder.

MoS2 og WSe2, som hører til gruppen af TMDC'er, udgør to af de mest studerede 2D-materialer, og deres egenskaber er afgørende for termoelektriske applikationer. MoS2, som er et n-type halvleder, og WSe2, som er p-type, viser begge exceptionelle termoelektromekaniske egenskaber. Det er blevet demonstreret, at disse materialer kan opnå høje Seebeck-koefficienter og høje strømføringsmuligheder i monolag, især når de fremstilles via kemisk dampaflejring (CVD). Denne egenskab gør dem velegnede til at generere elektricitet fra termisk energi.

For at forstå potentialet af disse materialer er det nødvendigt at overveje deres bandstruktur og dens indvirkning på elektrontransport. De fleste 2D-materialer har en høj grad af bånddegenerering, hvilket resulterer i en høj effektfaktor i de tyndeste lag. Især har MoS2, når det fremstilles i monolag eller få lag, vist sig at have en høj Seebeck-koefficient, som er afgørende for termoelektroiske applikationer. Men der er stadig udfordringer i form af mobilitet og elektrisk ledningsevne, især når materialet fremstilles ved hjælp af CVD-metoder, der kan medføre højere svovlindhold og dermed lavere mobilitet.

MXene, opdaget i 2011, er et andet bemærkelsesværdigt materiale, som har vundet opmærksomhed i forskningen på grund af dets unikke elektriske og termiske egenskaber. MXene, der består af overgangsmetaller og carbon eller nitrogen (Mn+1Xn), udviser høje elektriske ledningsevner og termisk effektivitet. Især Mo-baserede MXene som (Mo2Ti)C2Tx og Mo2CTx har et højtermisk effektpotentiale med en Seebeck-koefficient over 100 V K−1, hvilket gør dem til lovende kandidater til termoelektriske applikationer.

Derudover er det også blevet observeret, at 2D-materialer, især TMDC'er og MXene, kan have en lavere termisk ledningsevne langs visse akser. Dette er særligt relevant for materialer som MoS2 og WSe2, hvor phonontransportet kan være anisotropisk, hvilket betyder, at varme kan ledes bedre i bestemte retninger. Dette gør det muligt at manipulere varmeflowet på en måde, der maksimerer effektiviteten af termoelektriske enheder.

For at optimere disse materialer til praktiske termoelektriske applikationer er det nødvendigt at fortsætte med at udvikle avancerede nanostruktureringsmetoder. Selv om disse materialer viser et højt termoeffektpotentiale, kan deres effektivitet forbedres yderligere ved at reducere termisk ledningsevne og samtidig bevare deres høje Seebeck-koefficienter.

Endvidere bør det understreges, at selvom de teoretiske studier af 2D-materialers termoelektriske egenskaber er lovende, er der stadig mange ubesvarede spørgsmål, især vedrørende de langsigtede stabilitets- og produktionskrav af disse materialer. Den praktiske anvendelse af MXene og TMDC'er i termoelektriske enheder vil kræve omfattende forskning og udvikling for at overvinde de udfordringer, der er forbundet med materialets langvarige pålidelighed og de specifikke krav til industriel produktion.

Hvordan interfacielle egenskaber og geometrien af 2D halvledermaterialer påvirker deres anvendelser i moderne elektronik

Interfacielle egenskaber spiller en afgørende rolle i ydeevnen af 2D halvledermaterialer, især når de bruges i forskellige elektroniske og optoelektroniske enheder. I mange tilfælde er det de atomisk tynde lag og de kvantemekaniske effekter som kvanteindkapsling, der gør disse materialer særligt attraktive til avancerede teknologier. Den måde, hvorpå 2D-halvledere interagerer med hinanden eller med andre materialer, kan have en dramatisk indvirkning på deres elektriske, mekaniske og optiske egenskaber, hvilket åbner nye muligheder for både eksisterende og kommende teknologier.

Forskning har vist, at borofener, en klasse af 2D halvledere, har unikke grænsefladeegenskaber, som kan forbedre ydeevnen af kontakter med andre 2D-materialer som TMDC'er, gruppe IV-ener og gruppe V-ener. For eksempel, i et studie af b12-borofen/graphen-kontakter, blev der observeret en nul-tunnelbarriere, hvilket kan have vidtrækkende konsekvenser for elektronisk transport [25]. Dette betyder, at ved at forstå og kontrollere interfaciale egenskaber, kan vi optimere materialer til højtydende elektroniske komponenter.

En vigtig observation i flere studier er, at interfacen mellem metal og 2D halvledermateriale som MoS2 spiller en væsentlig rolle i Schottky-barrierens dannelse, hvilket har en direkte effekt på kontaktmodstanden. For eksempel, ML MoS2-metalkontakter udviser en forbedret Schottky-barrierehøjde (SBH) sammenlignet med bilags MoS2, hvilket kan tilskrives interlaget-coupling [27]. Dette indikerer, at man skal være opmærksom på antallet af lag og hvilken type metal der anvendes i sådanne kontakter for at opnå den ønskede ydeevne.

I den mere avancerede udvikling af transistorer har forskning i gate-stack egenskaber vist, at 2D materialer som grafen og MoS2 har potentiale til at revolutionere den måde, hvorpå transistorer designes, især i forhold til deres evne til at kontrollere kanalens strømning [29]. Den atomar-tynde natur af 2D materialerne giver en utrolig præcision i styringen af elektronernes bevægelse, hvilket kan føre til en markant forbedring i både hastighed og energieffektivitet. Denne præcision i gate-kontrol gør det muligt at reducere strømforbrug og samtidig forbedre ydeevnen af enhederne.

Derudover åbner de specielle grænsefladeegenskaber for muligheden for at fremstille nye typer af enheder, som kræver et præcist samspil mellem lagene. Eksempelvis, i bilagene af grafen og MoS2, kan man observere et skift i elektronens energiniveauer, hvilket potentielt kan forbedre optoelektroniske egenskaber og muliggøre udvikling af nye typer fotodetektorer og sensorer.

Forskning i passiveringsteknikker, såsom anvendelse af ALD til at passivere InGaAs med aluminiumoxid, gadoliniumoxid og scandiumoxid, har vist sig at forbedre interfacegenskaberne væsentligt, især i forhold til strømdannelse og lækage [34]. Dette har ikke kun teoretisk betydning for at forbedre ydeevnen af 2D-baserede enheder, men også praktisk anvendelse i kommercielt relevante teknologier som fotodetektorer og sensorer.

Et andet aspekt af 2D halvlederes egenskaber er deres mulighed for at skabe kvantetilstande, hvilket åbner døren for anvendelser i kvantecomputere og kvantekommunikationsenheder. De kvantemekaniske effekter, der opstår i 2D-materialer, giver mulighed for præcise manipulationer af elektroniske tilstande, hvilket er en afgørende egenskab for udviklingen af kvantebaserede enheder. Denne egenskab udnytter de unikke interfaciale egenskaber mellem 2D-materialerne og deres omgivelser.

Når vi ser på disse resultater, bliver det klart, at forståelsen af interfacielle egenskaber ikke kun er en akademisk øvelse, men en praktisk nødvendighed for at udnytte potentialet af 2D halvledermaterialer i moderne elektronik. For at kunne udnytte disse materialers fulde potentiale er det vigtigt ikke kun at fokusere på de enkelte materialer, men også på, hvordan de interagerer med hinanden og med deres omgivelser. Dette kræver både grundlæggende forskning i de teoretiske aspekter af disse interaktioner og udvikling af nye teknologier til at manipulere og kontrollere disse interfaciale fænomener. Dette vil føre til en fremtid med endnu mere effektive, fleksible og alsidige elektroniske enheder, der kan anvendes på tværs af en bred vifte af industrier og teknologier.

Hvordan kan elektriske kontakter og doping i 2D halvledermaterialer forbedre enheders ydeevne?

Indenfor feltet af halvlederfysik og elektronik er elektrisk kontakt og doping grundlæggende begreber, som får ekstra betydning i relation til 2D halvledermaterialer (2D-SCM), såsom grafen, TMDC'er (transition metal dichalcogenides) og andre atomtynde materialer. Disse materialer, på grund af deres særlige elektriske egenskaber, stiller unikke krav til effektive elektriske forbindelser og præcis kontrol af dopingniveauet, som er afgørende for at opnå højtydende elektroniske og optoelektroniske enheder.

Doping spiller også en central rolle i at justere materialernes elektriske ledningsevne og bærer koncentration for forskellige applikationer. Fordi 2D-materialer er ultratynde og har en høj overflade-til-volumen-ratio, har doping en uforholdsmæssig stor indflydelse på deres elektriske og optoelektroniske egenskaber. For at forhindre, at dopanter skader materialernes struktur og elektriske egenskaber, er det nødvendigt at kontrollere dopingprocessen meget præcist. Overdreven doping kan medføre en række uønskede resultater som nedsat mobilitet og ikke-jævn bærerfordeling, hvilket kan forringe materialernes performance.

Kontaktmodstanden i 2D-SCM er resultatet af flere faktorer, herunder de elektriske egenskaber af 2D-materialet, sammensætningen af metallet, der anvendes til at skabe kontakten, samt effektiviteten af interface mellem de to materialer. Ved at vælge det rigtige 2D-metal kan man opnå lavere kontaktmodstand, hvilket er afgørende for effektivt at kunne bruge 2D-SCM i elektroniske enheder som transistorer og sensorer. Hvis kontaktmodstanden er høj, kan det resultere i langsommere enheder og øget strømforbrug, hvilket gør carrier-injektion og ekstraktion ineffektiv.

En lovende tilgang til at forbedre kontaktmodstanden er gennem anvendelse af faseændringskontakter. Forskning har vist, at præcist aflejrede ultra-rene kontaktmetaller, doping, samt brug af isolerende lag mellem metal og halvleder (MIS) kan forbedre kontaktmodstanden markant. Faseændringsmaterialer har også været genstand for undersøgelse, da de besidder evnen til at ændre krystalstrukturer og dermed have unikke egenskaber, der kan udnyttes i denne sammenhæng.

Grid-spændingskontrol er en anden metode, der er blevet undersøgt for at forbedre elektriske forbindelser mellem 2D-SCM og et gitterelektrode. Forskning har fokus på at forstå interaktionen mellem gitteret og 2D-materialet for at optimere forbindelsen. En væsentlig hindring for at skalere 2D-feldeffekt-transistorer (FET'er) er den modstand, der opstår ved kontaktpunktet. Dette modstand er en af de største barrierer for at opnå højtydende enheder.

En yderligere innovativ tilgang til at løse kontaktproblemerne er tunneling-kontakter. Tunneling-kontakter bruger kvantetunneling-effekter, hvor ladningsbærere kan "tunnelere" gennem et ellers uoverstigeligt potentiale-barriere. Denne metode har fået øget opmærksomhed som en løsning på problemer med kontaktmodstand, da den muliggør effektiv carrier-injektion og ekstraktion uden at afhænge af termisk energi. Tunneling-kontakter udnytter kvantemekaniske egenskaber, hvor materialernes og elektrodens energiniveauer overlapper, hvilket gør det muligt for elektroner at trænge igennem barrieren.

En af de store anvendelser af 2D-SCM er i logiske og hukommelsesenheder. På grund af deres særprægede elektroniske egenskaber og anvendelsesmuligheder indenfor elektronik, har disse materialer tiltrukket stor opmærksomhed til udviklingen af logiske kredsløb og hukommelsesenheder. Selvom de har mange fordele, er der stadig udfordringer, herunder kontaktmodstand, uniform doping og stabilitet over tid. Forskning fokuserer nu på at overvinde disse barrierer for at udnytte potentialet i 2D-materialer til at fremstille effektive logiske enheder og hukommelseskredsløb.

Indenfor design og fremstilling af logiske integrerede kredsløb (IC'er) baseret på 2D-SCM er det nødvendigt at skabe transistorer og forbindelser, som kan danne funktionelle kredsløb. De første IC-komponenter baseret på atom-tynde, to-dimensionelle materialer som grafen blev skabt i 2012, og siden da har der været betydelig udvikling på området. Transistorer kan fremstilles ud fra de iboende egenskaber af 2D-materialer som grafen og TMDC'er, og disse materialer giver store fordele i form af små, komprimerede og tæt-pakkede kredsløb.

For at skabe effektive logiske kredsløb er det ikke nok kun at integrere transistorerne, men også at designe og simulere kredsløbene ved hjælp af softwareværktøjer, som tager højde for de unikke elektriske egenskaber af 2D-materialer. Det er afgørende at forstå materialernes mobilitet og deres potentielle afvigelser for at opnå de ønskede resultater.

Hvordan 2D Halvledermaterialer Forbedrer Gassensorers Effektivitet: Nyeste Fremskridt og Perspektiver

Udviklingen af gassensorer baseret på to-dimensionelle halvledermaterialer (2D SCM'er) har de seneste år givet betydelige gennembrud inden for sensorteknologi. Sensorers præstation afhænger i høj grad af de anvendte materialers struktur og ladningsfordeling, som direkte påvirker deres elektriske egenskaber. I forbindelse med udviklingen af gassensorer er der blevet taget i brug avancerede karakteriseringsteknikker og teoretiske beregninger for at få dybere indsigt i de underliggende mekanismer.

En af de teknikker, der har vist sig særligt effektiv, er in situ fotoluminescens karakterisering. Denne metode blev blandt andet anvendt af Cho et al., som bekræftede ladningsoverførselsmekanismen mellem de målte gasmolekyler, som NO2 og NH3, og MoS2. Derudover anvendes operando UV-Vis spektroskopi, XANES og in situ tryk-XPS i stigende grad til at undersøge mekanismerne bag gassensorers respons. Disse metoder giver værdifuld indsigt i, hvordan gasser interagerer med sensormaterialerne på atomart niveau.

Optimering af 2D halvledermaterialer til sensorapplikationer kræver en systematisk tilgang, der sigter mod at forbedre den strukturelle konfiguration og parametrene, der anvendes til sensing. Fokus er på at maksimere sensorens effektivitet på tværs af forskellige domæner som energi, transport og sikkerhed. Teknologiske fremskridt på dette område åbner op for nye anvendelsesmuligheder for gassensorer, hvilket også betyder, at nye optimerede sensorer vil kunne anvendes i en række forskellige industrielle og samfundsmæssige kontekster.

Det er dog ikke uden udfordringer at integrere 2D halvledermaterialer i sensorer. En af de største udfordringer er at forbedre sensorernes langtidsholdbarhed, så de kan fungere pålideligt over tid i forskellige miljøer. Derudover er det nødvendigt at adressere interfaceproblemer, der opstår, når 2D materialer kombineres med andre substrater. Yderligere forskning er nødvendig for at forbedre sensorernes selektivitet og følsomhed, hvilket vil gøre dem mere præcise og effektive til anvendelse i praktiske applikationer.

Fremtidens forskning indenfor området 2D SCM'er vil sandsynligvis føre til opdagelsen af nye materialer, der udviser unikke egenskaber, hvilket åbner op for nye muligheder for sensorteknologier. Samtidig er det sandsynligt, at kombinationen af 2D halvledermaterialer med andre avancerede materialer som nanopartikler og kvantepunkter vil resultere i multifunktionelle sensorer med høj ydeevne.

Udviklingen af 2D halvlederbaserede sensorer er ikke kun begrænset til de klassiske sensortyper som elektrokemiske, fotoelektrokemiske og kemiresistive sensorer. Der er også fokus på sensorer som tryk- og pulssensorer, der i stigende grad anvender 2D halvledermaterialer for at udnytte deres fremragende elektriske og mekaniske egenskaber. Dette gør 2D halvledermaterialer til en central komponent i næste generations sensorer, der skal operere på en lang række områder, fra sundhedsovervågning til industriel produktion.

Med hensyn til praktisk anvendelse er det nødvendigt at optimere både strukturen og signalbehandlingen af sensorerne, så de kan anvendes effektivt i felter som energi, transport og sikkerhed. De seneste fremskridt inden for sensorteknologi viser, at 2D SCM'er har potentiale til at revolutionere sensorlandskabet. Dette gælder især, når man ser på deres anvendelse i miljøovervågning og sundhedsvæsen, hvor der er behov for præcise og pålidelige sensorer, der kan fungere under forskellige forhold og i lang tid.

Når man ser på fremtidens muligheder, er det klart, at de mest lovende sensorer vil være dem, der kan udnytte de avancerede egenskaber ved 2D halvledermaterialer i kombination med andre teknologiområder som nanoelektronik, kvanteteknologi og bioteknologi. Dette vil kunne føre til udviklingen af sensorer med en hidtil uset præcision og alsidighed, som vil kunne anvendes på en lang række områder, fra miljøovervågning til sundhedsteknologi.

Hvordan 2D-materialer revolutionerer solceller og energilagringsteknologier

Et lignende studie udført af Jang et al. involverede design af polymerbaserede solceller ved hjælp af 2D/3D halid-junction solceller gennem solid fase in-plane vækst. I denne proces blev 2D-materialer påført på 3D-materialer, hvilket resulterede i forbedret kontrol af tykkelsen af laget af perovskitmaterialer, som blev brugt til at fremstille solceller. Hele designet, hvor 2D-materialet blev pålagt 3D-materialet, bidrog til den samlede stabilitet og ydeevne af enheden. Ved hjælp af varme og tryk blev et 2D-perovskitlag dannet på overfladen af 3D-perovskitfilmen, hvilket resulterede i dannelsen af et nyt 2D-lag. Denne metode resulterede i en solcelle med en PCE på 24,59%, en OCV på 1,185V og en effektivitet på 94% efter 1056 timer under fugtigheds- og temperaturtest (85°C og 85% relativ luftfugtighed). Efter 1620 timers soleksponering bevarer enheden stadig 98% af sin effektivitet.

For at forstå potentialet i 2D-materialer er det vigtigt at overveje deres rolle i udviklingen af elektrokemiske energilagringsenheder. I kapitel 16 blev grundlæggende principper for energilagringsteknologier og avancerede nanomaterialer gennemgået, som i øjeblikket undersøges for at fremstille højkvalitets energilagringsenheder. Da 2D-materialer har en unik struktur, der giver dem ekstraordinære egenskaber som høj elektrisk ledningsevne og stabilitet, bliver de i stigende grad betragtet som en afgørende komponent i næste generations energiomdannelses- og lagringsteknologier.

For at designe og fremstille sådanne materialer er det nødvendigt at vælge de rigtige fremstillingsteknikker. Metoder som sol-gel, eksfoliering og CVD (chemical vapor deposition) er nogle af de mest anvendte teknikker til syntese af 2D-semikondensatorer. For eksempel er der forsket i, hvordan 2D-materialer som MoS₂ og Bi₂S₃ kan syntetiseres i kolloidform og anvendes i højtydende elektronik og energilagringssystemer.

Desuden skal de valgte materialer testes og karakteriseres grundigt for at bestemme deres egnethed til specifikke anvendelser. Dette indebærer at vurdere deres stabilitet, elektriske og optiske egenskaber, samt hvordan de præsterer under langvarig drift. Forskning har vist, at 2D-semikondensatorer kan udnyttes til at fremstille avancerede elektrokemiske enheder, som har potentiale til at overgå traditionelle batteriteknologier.

Det er også væsentligt at forstå, at udviklingen af 2D-materialer og deres anvendelse i solceller og energilagring er et kontinuerligt og hurtigt udviklende felt. De teknologier, der anvendes i dag, er kun begyndelsen, og der er et stort uudnyttet potentiale for at forbedre både effektivitet og stabilitet. Fremtidig forskning vil formentlig åbne op for endnu flere muligheder for at anvende 2D-materialer i fleksible og bærbare elektroniske enheder, hvilket giver et bredt spektrum af energilagrings- og energioverførselsmuligheder.