Hvordan 2D-semiconductorer kan revolusjonere termiske materialer for fremtiden

Fremtidens termiske materialer står ved et veiskille hvor nye innovasjoner kan føre til drastiske forbedringer på tvers av flere teknologiske felt. 2D-materialer, spesielt 2D-semiconductorer, har fått mye oppmerksomhet som potensielle kandidater for neste generasjon termoelektriske materialer. Deres unike egenskaper, inkludert høy termisk og elektrisk ledningsevne i to dimensjoner, har åpnet dørene for utviklingen av effektive og bærekraftige termiske enheter.

Grafen, for eksempel, er kjent for sin enestående elektriske ledningsevne og høye termiske ledningsevne, som gjør det til et lovende materiale for forskjellige energilagrings- og produksjonsapplikasjoner. Overgangsmetall-dikalcogenider, på den andre siden, har et potensial for termoelektrisk generering på grunn av deres direkte båndgap og tunbare elektroniske strukturer. MXener, som er laget av lagdelte overgangsmetallkarbid, nitrid eller karbidenheter, gir både høye elektriske ledningsevner og unike egenskaper som kan forbedre termoelektriske materialer ytterligere.

Silicene og fosforen representerer et annet spennende felt innen 2D-semiconductorer. Silicene, en siliciumbasert analog til grafen, kan være et nøkkelmateriale for avanserte elektroniske enheter takket være dets enestående fleksibilitet og evne til å modifisere sine elektroniske egenskaper ved hjelp av ekstern spenning. Fosforen, derimot, har tiltrukket seg oppmerksomhet på grunn av sin høye termoelektriske ytelse og muligheten for å utvikle nye, effektive energikonverteringssystemer.

En av de største utfordringene for bruk av disse materialene i termiske applikasjoner er deres iboende begrensninger. Mens de elektriske og termiske ledningsevneegenskapene er utmerkede, kan det være vanskeligheter med å opprettholde materialenes stabilitet under høye temperaturer eller ved ekstreme belastninger. Derfor er det nødvendig med videre forskning for å forstå hvordan disse materialene kan forsterkes eller modifiseres for å være mer robuste og pålitelige over tid.

For fremtiden vil forskere trolig fokusere på å finne måter å kombinere flere 2D-materialer i heterostrukturer for å oppnå optimale egenskaper. For eksempel kan en sammensetning av grafen og TMD-er eller en hybridstruktur av silicene og MXene føre til en syntese som utløser uante termoelektriske prestasjoner. Denne tilnærmingen kan bidra til å overvinne de fysiske begrensningene som de enkelte materialene møter.

For leseren er det viktig å forstå at utviklingen av 2D-semiconductorer for termiske applikasjoner er en tverrfaglig utfordring. Ikke bare krever det en dyp forståelse av materialenes fysiske egenskaper, men også kunnskap om hvordan de kan tilpasses og modifiseres for å møte industrielle krav. De potensielle applikasjonene for disse materialene er enorme, fra energiproduksjon til elektronikk og til og med medisin. Derfor kan 2D-materialene ikke bare forbedre dagens teknologi, men de kan også revolusjonere hvordan vi tenker på energiomsetning og lagring i fremtiden.

Hvordan strukturelle faser af 2D TMDC-materialer påvirker deres elektroniske og optoelektroniske egenskaber

Det er velkendt, at fem ud af seks bulk TMDC'er, der dannes af gruppe VI overgangsmetaller, såsom Mo eller W, og chalcogener som S, Se eller Te, foretrækker 2H-fasen som den stabile struktur. Dog er der undtagelser som WTe2, hvor den stabile fase ved stuetemperatur er den ortorhombiske 1Td-fase. Dette indikerer, at det ikke kun er den specifikke syntesemetode, men også de anvendte kemiske elementer, der bestemmer, hvilken fase der er stabil.

2D TMDC'er, især når de er nedskaleret til monolag, afslører en anderledes opførsel i forhold til bulk-materialerne. I monolagene materialer viser de fleste TMDC'er et direkte båndgab, hvilket er særligt interessant for optoelektroniske anvendelser. Det direkte båndgab gør det muligt for disse materialer at fremvise stærkere exciton-emissioner, som er grundlaget for fremtidens højtydende fotoniske enheder, herunder LED'er og lasere.

Faseovergange fra bulk-til monolag ændrer ikke kun båndstrukturen, men kan også føre til stærkt forstærkede optiske egenskaber, herunder fotoluminescens (PL), især når det kommer til exciton-fænomener. Dette sker som følge af den direkte elektron-overgang, som undgår tab af impuls og dermed forbedrer effekten af lys-emission i monolagerne.

Det er også vigtigt at bemærke, hvordan spin-orbit kobling (SOC) i disse materialer påvirker deres elektroniske strukturer. I materialer som MoX2 og WX2 er forskellene i spin-orbit koblingen afgørende for det ønskede båndgab og de tilhørende elektroniske egenskaber. For eksempel viser MoSe2 et højere valensbåndmaksimum end MoS2, hvilket skaber muligheden for at udnytte disse materialer i optoelektroniske applikationer, der kræver præcise energi-momentum relationer.

En af de mest interessante anvendelser af TMDC'er i optoelektronik er deres evne til at udveksle lys og elektroniske signaler ved hjælp af nanostrukturer. For eksempel er plasmoniske nanostrukturer blevet brugt til at forbedre Raman-spredning i TMDC-materialer, hvilket giver mulighed for stærkere lys-materie-interaktioner. Disse strukturer er essentielle for at udvikle højeffektive optoelektroniske enheder, især når man ønsker at udnytte TMDC'ernes egenskaber i avancerede laser- og LED-teknologier.

I forbindelse med applikationer i 2D TMDC'er er det også afgørende at tage højde for, hvordan de elektroniske egenskaber ændres afhængigt af materialets tykkelse og strukturen af de enkelte lag. For eksempel ændrer et monolag af MoS2 sig fra at være et indirekte båndgabsemiconductor i bulkform til et direkte båndgabsemiconductor, hvilket muliggør effektiv fotoluminescens ved rumtemperatur. Dette fænomen forbedres yderligere ved hjælp af plasmoniske forstærkninger, som kan fremskynde excitonens nedbrydningshastighed og dermed øge den kvantemekaniske ydeevne af lys-emissionen.

Der er også vigtige forskelle mellem TMDC-familierne afhængigt af deres kemiske sammensætning. Mens TiSe2 og TiTe2 udviser semimetalliske egenskaber med en lille overlapning mellem chalcogenets valensbånd og transition metallets ledningsbånd, beholder Zr og Hf TMDC'er et indirekte båndgab gennem hele deres struktur. Dette gør dem til ideelle kandidater i teknologier, der kræver langtidsholdbare og stabile materialer til optoelektroniske enheder.

Samlet set er TMDC'er et af de mest lovende materialer for udviklingen af fremtidens elektronik og fotonik, hvor forståelsen af deres faser, både stabile og metastabile, samt deres optoelektroniske egenskaber, er en vigtig grundlæggende viden for at udnytte deres fulde potentiale i praktiske applikationer.

Hvordan udviklingen af halvlederteknologi påvirker fremtidens chipproduktion og IC-fremstilling?

Når en enkeltkrystal er opnået, skæres den videre til wafere, som derefter formes og poleres med præcise industrielle diamant-indsatssave. I denne proces fjernes også uønskede dele af ingoten, som de ender og frødelen, og overfladen bearbejdes for at sikre en ensartet diameter. Derudover undersøges wafernes modstand og orientering, som er afgørende for at opnå den ønskede elektriske og strukturelle ydeevne.

I lyset af Moore's lov, som forudser, at transistorernes dimensioner og deres integrationsdichte på IC'er fordobles omtrent hver anden år, er der konstante innovationer i teknologi og processer for at opnå denne miniaturisering. Moore's lov er blevet grundlaget for teknologiske fremskridt, hvor mindre komponenter kan integreres i stadig mere komplekse systemer, hvilket øger ydelsen uden at øge størrelsen eller strømforbruget.

Nanoteknologi spiller en stor rolle i denne udvikling. Med strukturer på under 10 nanometer er der mulighed for at skabe transistorer og IC'er, som har unikke egenskaber på grund af deres store overflade-til-volumen ratio. Specielt i siliciumbaserede IC’er bliver der kombineret avanceret litografi, ætsning og filmdeponeringsprocesser for at opnå disse nanostrukturer. Nyere teknologier, som FinFET (fin field-effect transistors), er blevet nødvendige for at kunne videreudvikle IC'ernes effektivitet og performance.

Når teknologien bevæger sig ned under 5 nanometer, bliver chipsne mere komplekse at fremstille, og det kræver store investeringer for at udvikle og producere disse chips i stor skala. Derfor er der kun få selskaber på markedet, der har ressourcerne og teknologien til at føre disse avancerede produktionsprocesser ud i livet. For eksempel er 5 nm teknologien allerede blevet implementeret i chips som Apple A14-processoren, der anvendes i moderne smartphones, og Qualcomm Snapdragon SD875 med 5G chip.

Når vi ser frem mod endnu mindre teknologiske noder som 2 nanometer, er der en forventning om, at denne teknologi vil revolutionere elektronikindustrien, med chips der er langt mere effektive og kraftfulde. TSMC planlægger at starte produktionen af 2 nm-chips i slutningen af 2024, hvilket vil give nye muligheder for en lang række teknologiske innovationer, fra 5G til kunstig intelligens og selvkørende biler. De nye teknologier inkluderer avancerede FET-arkitekturer som gate-all-around (GAA) og ribbon FET, som sigter mod at øge transistorens ydeevne og tæthed.

De kommende ændringer i transistorarkitekturen, som implementeringen af CFET (Complementary FET), vil gøre det muligt at integrere både n-type og p-type transistorer i samme enhed, hvilket reducerer pladsen og forbedrer effektiviteten. Det er et skridt frem mod næste generation af IC'er, som vil kunne håndtere de øgede krav til hastighed og lavere strømforbrug.

For at forstå fremtidens teknologi på en dybere måde, skal læseren også være opmærksom på de økonomiske og praktiske udfordringer, som følger med miniaturisering. Hver nye teknologinode kræver enorme investeringer i forskning, udvikling og fabrikation. Samtidig betyder den komplekse produktion, at kun de største aktører i halvlederindustrien kan opretholde en ledende position, hvilket har konsekvenser for konkurrencen på globalt plan. Udover dette skal der også tages højde for de miljømæssige konsekvenser af den intensiverede produktion af halvledere, som involverer store mængder energi og ressourcer.