De to-dimensionelle (2D) halvledere har potentiale til at revolutionere mange områder af materialeteknologi, især inden for energiapplikationer som batterier, solceller, superkondensatorer og brændselsceller. Disse materialer, der typisk består af et enkelt lag atomer, har unikke egenskaber, herunder høj overfladeareal, mekanisk fleksibilitet, justerbare båndgab og fremragende elektriske egenskaber. Dette gør dem ideelle til anvendelser, hvor vægt og effektivitet er afgørende.

Den største udfordring ved at anvende 2D halvledere i kommercielle energilagringssystemer er deres vækst og præstationer. Mens forskningen i disse materialer har gjort enorme fremskridt, er der stadig betydelige forhindringer i både synteseprocessen og i at maksimere deres anvendelse i praktiske teknologier. Et af de største problemer er at opnå en ensartet vækst af 2D materialer uden defekter, som kan forringe deres elektriske og mekaniske egenskaber.

For at opnå høje ydeevner skal 2D halvledere ofte kombineres med andre materialer, hvilket skaber heterojunktioner. Dette giver mulighed for at forbedre ladetransporten og skabe nye reaktionssteder til elektrokatalytiske processer. Disse kombinationer kan hjælpe med at skabe effektive, stabile og langvarige energilagringsenheder som superkondensatorer og batterier.

En anden stor udfordring er at forstå de elektrochemisk aktive egenskaber af 2D halvledere. For at bruge dem effektivt i batterier og brændselsceller er det nødvendigt at forstå deres reaktioner under forskellige betingelser og hvordan de kan optimeres til langvarig drift. Her spiller metoder som cyklisk voltammetri og elektrokemisk impedansspektroskopi en vigtig rolle i at karakterisere deres elektrochemiske egenskaber og forbedre deres ydeevne.

I solcelleapplikationer tilbyder 2D halvledere et væld af fordele, især når det gælder fleksible og lette solpaneler. Men solcelleeffektiviteten af 2D materialer er stadig en udfordring, da der er behov for at skabe effektive forbindelser mellem de to materialer og solens lys. For at udnytte deres fulde potentiale kræves det, at vi udvikler nye måder at frembringe og kombinere disse materialer på, samtidig med at vi forstår og optimerer de optiske og elektriske egenskaber for at maksimere udbyttet af solenergi.

En anden fascinerende applikation er brugen af 2D halvledere i vandspaltning for at generere brint som en ren energikilde. Her spiller overgangsmetalsdichalcogenider (TMD'er) en central rolle, da de har fremragende elektrokatalytiske egenskaber, der gør dem velegnede til at katalysere de nødvendige reaktioner til effektiv brintproduktion. Men udfordringen ligger i at skabe stabile og billige systemer, som kan operere i realtidsbetjening over lange perioder uden at nedbrydes.

Det er vigtigt at bemærke, at de teknologier, der bygger på 2D halvledere, stadig er på et relativt tidligt udviklingsstadie. Selvom forskningen er lovende, er der mange tekniske barrierer, der skal overvindes for at gøre disse materialer kommercielt levedygtige og praktisk anvendelige. Udfordringerne spænder fra materialets syntese og karakterisering til at integrere dem effektivt i komplekse energisystemer. Desuden kræver de fleste af disse teknologier store investeringer i forskning og udvikling for at kunne nå et niveau, hvor de kan udnyttes på en økonomisk bæredygtig måde.

For læseren er det essentielt at forstå, at mens 2D halvledere tilbyder fantastiske muligheder, er deres integration i energiteknologi en langvarig proces, hvor hver ny opdagelse bringer os tættere på at udnytte disse materialers fulde potentiale. Teknologisk innovation i denne sektor vil ikke kun afhænge af de fysiske egenskaber af materialerne, men også af de metoder, vi udvikler til at fremstille, bearbejde og anvende dem effektivt i energiproduktion og lagring.

Hvilke metoder anvendes til fremstilling af MOS tyndfilm, og hvordan påvirker de deres anvendelser?

Kemisk interaktion med de gasformige molekyler i dampen finder sted på substratets overflade. Begrebet “CVD” dækker over forskellige processer, herunder atomlag-deponering (ALD), atmosfærisk tryk CVD, lavtryk CVD og plasma-assisteret CVD. Denne metode muliggør storskalaproduktion og giver betydelig kontrol over morfologi og defekter, samtidig med at dannelsen af heterojunktioner fremmes. Dog medfører fremkomsten af farlige biprodukter en udfordring for CVD-teknologiens anvendelse. Den vakuumbaserede proces omfatter sputtering, termisk fordampning og ALD-metoder. I sputteringsprocessen adskilles partikler af materialet fra en målflade ved hjælp af plasma, hvorefter substratet belægges med stoffet. En fordel ved sputter-fremstillede filmer er den fremragende vedhæftning til substratet samt en homogen filmdeponering. I de termiske fordampnings- og elektronstrålefordampningsprocesser kan materialer fordampes ved hjælp af en resistiv opvarmer eller en elektronstråle. Denne fordampningsproces anvendes til næsten alle materialer og har fordelen af minimal forbrug. Ved gentagne cyklusser af forsyning af prækurso og reaktanter og efterfølgende udluftning, skaber ALD-processen et tyndt film af atomlag. Pinholes og step coverage problemer er sjældne i ALD-deponerede tyndfilm.

Når det gælder omkostningseffektivitet, store fladeelektronikproduktioner og masseproduktion, har væskefase-metoden vist sig at være den mest konkurrencedygtige. Opløsningerne fremstilles i deres grundlæggende form ved at kombinere metal-oxid prækursorer med passende opløsningsmiddel til et forudbestemt sammensætning og viskositet. For at forbedre kontrollen over, hvordan prækurserne opløses i opløsningsmidlet, kan forskellige katalysatorer eller inklusioner introduceres i opløsningen. Simpel metal-oxid pulver er en type prækursor, mens andre omfatter kombinationer af acetat, klorid, sulfat og nitrat. Disse anvendes ofte til at skabe væskefase-prækurser, som ligner kolloidale sol-geler eller MOS-komplekser indkapslet af organiske materialer som alkoxider og carboxylater. Dette gør det lettere for aflejringen at dannes gennem dannelsesreaktioner såsom kondensation eller hydrolyseprocesser. Løsning-baserede metoder til fremstilling af MOS tyndfilm har for nylig fået stor opmærksomhed. Der er adskillige måder at fremstille MOS ved hjælp af løsningen, herunder spin-coating, spray coating, blade coating, flexografisk trykning og inkjet printning. På grund af den lave anløbningstemperatur er de fleste løsning-baserede fremstillingsmetoder fordelagtige for produktion af fleksible og trykbare enheder. For eksempel fremstillede Moreira et al. metal-oxid-semiconductor-filme med anløbning ved 300°C.

MOS-enheder har vundet interesse på grund af deres gunstige elektriske egenskaber, som omfatter høj elektronmobilitet, kemisk modstandsdygtighed i væsker, gennemsigtighed og nem fremstilling til anvendelse i display- og sensorteknologier. Selvom TFT'er baseret på oxid-semiconductors allerede er blevet overvejet til bagpladerne i LCD'er og aktív matrix-organiske lysdiodedisplays, er de endnu ikke blevet overvejet for andre anvendelser som hukommelsesenheder og biosensorer.

MOS som tyndfilmtransistormaterialer (TFT'er) til fladpaneldisplays, herunder LCD'er og organisk lysdiodedisplays, er meget anvendt. IGZO er standardmaterialet, efterfulgt af ZnO, og mange andre materialer undersøges stadig. MOS-tyndfilm enheder har flere fordele, da de er sammensatte af flere elementer, hvilket gør det muligt at optimere elektriske egenskaber ved at ændre elementkompositioner og krystalstrukturer. Ved at øge bærermobiliteten, kontrollere bærerdensiteten og optimere densiteten af tilstande kan man hæve Seebeck-koefficienten. Miljøfølsomhed kan også opnås, for eksempel ved at inkludere en ekstra revision. MOS'ernes båndgab er højt, hvilket gør det muligt for tyndfilm enheder at have lav lækstrøm, fremragende højspændingstolerance og gennemsigtighed for synligt lys. Endvidere er MOS'er relativt stabile i atmosfærisk miljø, hvilket gør fremstillingsprocessen lettere. For eksempel er lavtemperaturfremstilling som termisk anløbning ved ikke-alt for høje temperaturer og sputtering af belægning tilstrækkeligt. Derudover er trykfremstilling mulig, da MOS'erne allerede har gennemgået oxidation, hvilket betyder, at selvom de deponeres ved hjælp af prækurser opløst i væsker, vil deres elektriske egenskaber ikke blive kompromitteret. Dette gør det økonomisk muligt at konstruere MOS-tyndfilm enheder på store fleksible substrater, og det kan endda være muligt at bygge dem i tre dimensioner ved hjælp af forskellige trykmetoder.

MOS-tyndfilm enheder til strømforsyningsenheder foreslås, da de kan modstå høje spændinger og har høj bærermobilitet. For højspændings I/O'er på chippen i typisk CMOS stor-skala integration (LSI) foreslås en transistor med n-type IGZO-film og p-type SnO-film. Denne struktur kan fungere som et interface mellem CMOS-kernelogik, der kører på lave spændinger, og perifere enheder, der bruger højere spændinger. Desuden er der andre rapporter, der dokumenterer BEOL-transistorer med høj Vd-kapacitet på >40 V. IGZO tyndfilmer er også blevet brugt til at validere Schottky-funktionaliteter.

Brugen af MOS-tyndfilm enheder som sensorer har også været under udvikling. Deres elektriske karakteristikker kan være følsomme overfor omgivelserne ved at tilføje nogle valgfrie revisioner, hvilket gør det muligt at justere bærerdensiteten for at registrere ændringer i ledningsevne. Fleksible substrater gør det praktisk at anvende disse enheder overalt, og de kan fremstilles på stor skala til lave omkostninger. Lagsystemer muliggør stablede strukturer med kontrolsystemer.

MOS som biosensorer er et område med stor fremtidig interesse. Biosensorer er blevet avancerede værktøjer til støtte for nye diagnostiske metoder, realtidsmonitorering og tidlig sygdomsidentifikation. De anvendes til at detektere kræft, virus, degenerative hjerneforhold, diabetes og depression, ved hjælp af både invasive og ikke-invasive metoder. Biosensorer skal have fire hovedkendetegn: selektivitet for specifikke mål, følsomhed overfor lave niveauer af stoffer, stabil signaldetektion og reproducerbarhed i forskellige forhold. Biosensorer er vigtige i sundhedspleje, miljøovervågning, kemisk analyse, landbrug og energieffektive systemer.

Hvordan lever man videre, når man ikke længere kan forlade stedet, hvor man døde?
Hvordan ændrede en seddel alting?
Hvordan kan man navigere i korruption og magtkampe i det vilde vesten?
Hvordan finder man spor i en mordgåde, når intet er, hvad det ser ud til?