Zweidimensionale (2D) Materialien erfüllen in der Photokatalyse und Photoelektrochemie häufig nicht die Funktion eines primären Photokatalysators oder Photoelektrodenmaterials. Vielmehr werden sie gezielt als Sensibilisatoren, Vermittler des Elektronenflusses, Ko-Katalysatoren oder Schutzschichten in Kombination mit anderen Halbleitermaterialien (SC) eingesetzt. Durch diese durchdachten Kombinationen entstehen hybride Architekturen, die synergetische Effekte bewirken und die elektronischen, optischen sowie photoelektrochemischen Eigenschaften der 2D/SC-Elektroden deutlich verbessern.

Die Forschung richtet sich zunehmend auf neuartige 2D-Materialien wie schwarzen Phosphor (BP), MXene und organisch-anorganische Perowskite, die wegen ihrer einzigartigen morphologischen Konfiguration, anpassbaren Bandlücke und spezifischen Ladungstransferwege großes Interesse hervorrufen. Besonders hervorzuheben sind atomar dünne 2D-Materialien mit großen lateralen Dimensionen und kontrollierter, einheitlicher Dicke, die aufgrund ihrer besonderen Dimensionseffekte außergewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften zeigen.

Die Vorteile der 2D-Struktur in der Photokatalyse lassen sich auf vier zentrale Aspekte zurückführen: Erstens bieten 2D-Photokatalysatoren eine enorme spezifische Oberfläche mit zahlreichen aktiven Stellen, was die Reaktionsmöglichkeiten erhöht. Zweitens sind die Transportwege für photoanregte Elektronen und Löcher verkürzt, was die unerwünschte Rekombination der Ladungsträger im Volumenmaterial deutlich reduziert – ein Problem, das traditionelle dreidimensionale Photokatalysatoren oft einschränkt. Drittens weisen 2D-Materialien durch ihre Oberflächenfehler eine verbesserte Leitfähigkeit auf, was den effizienten Ladungstransfer an Adsorbate begünstigt. Viertens verfügen 2D-Photokatalysatoren über exzellente mechanische Eigenschaften, vor allem in Verbundmaterialien, wodurch ihre Stabilität und Langlebigkeit in praktischen Anwendungen gewährleistet wird.

Graphen, als eines der bekanntesten 2D-Materialien, zeigt aufgrund seiner starken kovalenten Bindungen in der Ebene und schwacher van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den Schichten eine einzigartige Stabilität. Obwohl Graphen hydrophob ist und somit in Wasserspaltungsreaktionen eingeschränkt wirksam erscheint, erfüllt es an der Schnittstelle zu Halbleitermaterialien wesentliche elektronische Funktionen. Es agiert als Elektronenakzeptor, -transporter und -vermittler in Verbundsystemen, was auf seine intrinsische Leitfähigkeit zurückzuführen ist. Besonders reduziert graphenoxidiertes Graphen (rGO) durch Einlagerung externer Moleküle die Schichtbindung und erhöht die Porosität, was die Oberfläche und Anzahl der aktiven Stellen erweitert. Zudem mindert Graphen die Rekombination photoangeregter Elektron-Loch-Paare, was die Photokatalyseeffizienz deutlich steigert.

Ein anschauliches Beispiel ist das CdS/Graphen-Nanoribbons (GNR)-Heterojunktion-System, das durch den Aufbau einer hybriden Struktur mit CdS-Nanopartikeln auf GNRs eine hohe Effizienz bei der Wasserstofferzeugung aufweist. Die Kombination ermöglicht mehrere Elektronentransferwege, etwa über die Kohlenstoffbereiche auf Graphen, Platinpartikel auf CdS sowie Platin auf dem Graphenmatrix, was die Lebensdauer der Ladungsträger verlängert und die Wasserstoffbildung effizient vorantreibt.

Eine weitere bedeutende Klasse der 2D-Materialien stellt das Bornitrid (BN) dar, insbesondere in seiner hexagonalen Form (h-BN). Diese besitzt herausragende thermische Stabilität, mechanische Robustheit und hervorragende Schmierstoffeigenschaften. Aufgrund seines großen Bandabstands von über 5 eV gilt h-BN als Nicht-Photokatalysator. Dennoch lässt sich h-BN durch gezielte Dotierung und Oberflächenmodifikation in Kombination mit anderen Halbleitern wie TiO2 oder WO3 für photoelektrochemische Anwendungen nutzbar machen. Die kristalline Struktur von h-BN, die der von Graphen ähnelt, verleiht den Verbundmaterialien Stabilität und besondere elektronische Eigenschaften.

Neben den spezifischen Vorteilen der 2D-Materialien ist zu beachten, dass ihre optimale Nutzung in der Photokatalyse und Photoelektrochemie eine präzise Kontrolle der Materialeigenschaften, einschließlich Defektdichte, Bandlücke und Grenzflächenchemie, erfordert. Die Wechselwirkungen an den Grenzflächen in hybriden Systemen sind entscheidend für die Effizienz des Ladungstransfers und die Redoxkinetik. Die Zukunftsperspektiven liegen in der maßgeschneiderten Entwicklung von 2D-Materialien mit gezielten Modifikationen, um ihre intrinsischen Schwächen zu kompensieren und synergistisch mit anderen Halbleitern zu arbeiten.

Die Herausforderungen bestehen unter anderem darin, eine gleichmäßige und kontrollierte Synthese großflächiger, dünner 2D-Materialien mit minimalen Defekten sicherzustellen, ebenso wie in der Stabilisierung dieser Materialien unter realen Betriebsbedingungen. Nur durch ein tiefes Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse auf atomarer Ebene sowie der präzisen Integration in hybride Systeme kann das volle Potenzial von 2D-Materialien zur effizienten Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff und andere erneuerbare Energieträger ausgeschöpft werden.

Wie beeinflussen Dipole die Leistung und Zuverlässigkeit von 2D-SCM-Geräten?

Die Untersuchung der Auswirkungen von Dipolen auf die Leistungssteigerung und Zuverlässigkeit verschiedener Typen von 2D-SCM-Materialien erfolgt durch die Analyse der Korrelation zwischen der Gitterstruktur von 2D-SCMs und den einzigartigen Eigenschaften der Raman-Verstärkung. Eine Vielzahl von Kontakttechnik-Methoden, die in diesem Bereich angewendet werden, können die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Kontaktwiderstand ausgleichen, indem sie die Defektdichte an der Substratoberfläche verringern, was zu einer optimalen Geräteleistung führt. Ein Beispiel für typische 2D-SCMs und deren optische, elektrische und thermische Eigenschaften wird in Abbildung 11.1 dargestellt.

Die logische Struktur von Geräten, die auf 2D-SCM basieren, zeigt großes Anwendungspotential in vielen Bereichen und gilt mittlerweile als ein faszinierendes Forschungsthema. Besonders hervorzuheben sind 2D-NAND-Flash-Speichergeräte, die im Vergleich zu 3D oder 4D NAND-Flash-Memorys entscheidende Vorteile in der Fertigung bieten. Ihre Speichertransistoren und Serienwähltransistoren werden durch parametrische Kontrolle mittels Lithografie und verwandter Fertigungstechniken einzeln hergestellt. Die Programmiervorgänge bei 2D-Flash-Materialien dauern lediglich 20 ns, und ihre Speicherkapazität überschreitet 50 V, was eine höhere Speicherdichte als derzeit verfügbare TLC- oder QLC-Einheiten ermöglicht. Das Zusammenführen von 2D-Materialien mit Siliziumtechnologie bietet eine Lösung für die Probleme traditioneller, auf Silizium basierender elektronischer Geräte. Ein Beispiel dafür sind die Silizium-Multi-Bridge-Channel-Feldeffekttransistoren (MBCFETs), deren übereinander geschichtete 2D-Nanoschichten durch ein allgemeines Dielektrikum und einen Gate getrennt sind. Weitere Beispiele sind FINFETs mit vertikal gewachsenen 2D-Kanalfilmen, die eine dreiseitige Gate-Ummantelung bieten. In Kombination mit Silizium-MOSFET-Strukturen werden auch 2D-DSFETs, TFETs und NCFETs verwendet, um das Problem des Energieverbrauchs zu lösen.

Die bipolar leitfähigen Eigenschaften von 2D-SCMs werden derzeit intensiv untersucht, um deren Verwendung in Logikschaltungen und künstlichen neuronalen Netzwerken zu realisieren. Ein Schema einer Architektur eines künstlichen neuronalen Netzwerks (ANN) zeigt, wie Neuronen oder Rechenprimitive durch Synapsen oder Speicherelemente verbunden werden, und ein Schema eines Graphen-Mem-Transistors veranschaulicht, wie künstliche Synapsen zur Realisierung von ANNs genutzt werden können. Die Synthese durch verschiedene Methoden, das Engineering von atomaren Defekten, die Untersuchung emergenter Eigenschaften und die Entwicklung von Geräten für funktionelle Anwendungen sind wesentliche Aspekte der aktuellen Entwicklungen im Bereich der 2D-SCM.

Einzigartige Anwendungen dieser Geräte, wie Funkschalter und tragbare Biosensoren, verdeutlichen deren Nützlichkeit und Anpassungsfähigkeit. Doch es bestehen nach wie vor Herausforderungen, etwa in den Bereichen Fertigungstechniken, Leistungssteigerung und Integration mit bestehenden Technologien. Diese Probleme müssen gelöst werden, um das volle Potenzial von 2D-SCM-Geräten auszuschöpfen.

Die grundlegenden Prinzipien der Halbleiterphysik und des Entwurfs elektronischer Geräte bilden häufig die Basis für die logische Struktur von 2D-SCM-basierten elektronischen Geräten. Aufgrund der dickeren atomaren Schichten bieten 2D-SCMs wie Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) und schwarzes Phosphor einzigartige Merkmale, die die Entwicklung neuer Gerätetopologien und -fähigkeiten ermöglichen. Zu den wichtigsten Eigenschaften von 2D-SCM-Geräten gehören ihre Dicke, der einstellbare Bandabstand, hohe Elektronenbeweglichkeit, Quanteneinschränkungseffekte, Flexibilität und mechanische Festigkeit, optoelektronische Eigenschaften und Transparenz, thermische Eigenschaften, niedrige Dimensionseffekte, Energieeffizienz und chemische Sensibilität. Die außergewöhnlichen Eigenschaften, die mit ihrer speziellen Struktur verbunden sind, haben großes wissenschaftliches Interesse an 2D-Materialien geweckt.

Die Strain-Engineering-Techniken wurden weitreichend genutzt, um die physikalischen Eigenschaften zu modifizieren und ihre Anwendung in flexiblen nanoelektronischen und optoelektronischen Geräten zu erweitern. Strain Engineering ist eine wichtige Methode, um das Gitter und die elektronische Struktur von 2D-Materialien gezielt anzupassen. Die Techniken zur Anwendung von Spannung auf 2D-Materialien sowie deren Vor- und Nachteile werden ausführlich erörtert. Es wird auf den Phasenübergang von 2D-Materialien und die Auswirkungen von Spannung auf optische, elektrische und magnetische Eigenschaften eingegangen. Abschließend werden die möglichen Anwendungen von angespannten 2D-Materialien behandelt, und es wird ein Ausblick auf die Herausforderungen und Chancen in der praktischen Anwendung gegeben.

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Untersuchung des Streuprozesses von 2D-SCM-Logikgeräten erzielt. Die Schaltvorgänge von synthetischen synaptischen elektronischen elektrochemischen Random-Access-Speichergeräten werden durch eine 2D-Materialionenschicht von nur einem Atom gesteuert. Eine einzelne Schicht hexagonales Bornitrid ermöglicht durch die Anpassung der Ionschirmung hervorragende nichtflüchtige analoge Schalter mit guter Speicherausdauer und hervorragender Haltbarkeit.

Die Untersuchung der Streumethoden und die Entwicklung innovativer Materialien in Verbindung mit 2D-SCM-Technologien bieten ein vielversprechendes Potenzial zur Verbesserung der Leistung von Logikschaltungen, der Verringerung des Kontaktwiderstands und der Erhöhung der Mobilität der Ladungsträger. Insbesondere die Integration von verschiedenen Materialien, insbesondere Metallen oder Isolatoren, in heterogene Strukturen bietet neue Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz von Geräten.

Wie tragen 2D-Halbleitermaterialien zur Entwicklung nachhaltiger Energiesysteme bei?

Die zunehmende weltweite Energienachfrage stellt eine große Herausforderung dar, die neue Materialien für nachhaltige Energiesysteme erforderlich macht. Die Entwicklung von 2D-Halbleitermaterialien hat sich dabei als eine Schlüsselkomponente erwiesen, um neuartige Energiespeicher- und Umwandlungstechnologien voranzutreiben. Die Besonderheit dieser Materialien liegt in ihrer atomar dünnen Struktur, die einzigartige mechanische, elektronische und elektrochemische Eigenschaften bietet. Dies macht sie ideal für Anwendungen in Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Solarzellen.

Graphen, als eines der bekanntesten 2D-Materialien, dient nicht nur als eigenständiger Werkstoff, sondern auch als Substrat oder Ausgangsmaterial für die Entwicklung komplexer elektrochemischer Systeme. Durch gezielte Modifikationen wie Phasenumwandlungen, Metallhybridisierungen und hierarchische Mikrostrukturierungen kann die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Eigenschaften erheblich verbessert werden. Solche strukturellen Anpassungen ermöglichen die Herstellung von Superkondensatoren mit gesteigerter Kapazität und verbesserter Stabilität.

Ein weiteres bedeutendes Material sind MXene, deren breite Nutzung in Elektroden von Batterien und Superkondensatoren die Leistungsfähigkeit dieser Energiespeicher stark erhöht. Ergänzend dazu tragen metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) zur Optimierung von Elektrodeneigenschaften bei, was die Effizienz und Lebensdauer der Geräte verbessert.

In der Entwicklung von Brennstoffzellen spielen 2D-Halbleiter ebenfalls eine wesentliche Rolle. Dort werden sie als Festkörperelektrolyte eingesetzt, die zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen flüssigen Elektrolyten bieten, darunter geringere Betriebstemperaturen und erhöhte Sicherheit. Ein Beispiel hierfür ist die Synthese von LSTCrCeO3-Perowskitmaterialien mittels Sol-Gel-Technologie, bei der durch gezielte Oberflächenmodifikation Sauerstoffvakanzstellen geschaffen werden, die die Ionentransportfähigkeit deutlich steigern. Diese Festelektrolyte eröffnen neue Perspektiven für die Konstruktion effizienterer und langlebiger Brennstoffzellen.

Die Herstellung solcher 2D-Halbleitermaterialien erfolgt häufig durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), einem Verfahren, das hohe Präzision und Reinheit garantiert. Trotz einiger Herausforderungen wie der Kontrolle von van-der-Waals-Kontakten und der Stabilität an Grenzflächen konnten in den letzten Jahren Fortschritte erzielt werden, die eine Verbesserung der Ladungsträgerbeweglichkeit und der Leistungsfähigkeit der Geräte ermöglichen.

Die Vielseitigkeit der 2D-Halbleiter spiegelt sich auch in der Entwicklung von Heterostrukturen wider, bei denen verschiedene 2D-Materialien kombiniert werden, um gezielt elektronische, optische und ionische Eigenschaften zu steuern. Durch gezielte Dotierung und Integration in komplexe Bauelemente können so hochleistungsfähige Energiespeicher und -wandler entstehen, die sowohl ökonomisch als auch ökologisch Vorteile bieten.

Neben der Verbesserung der grundlegenden Materialeigenschaften ist es ebenso wichtig, die Skalierbarkeit und die Umweltauswirkungen der Herstellungstechnologien im Blick zu behalten. Die Suche nach kostengünstigen, langlebigen und umweltfreundlichen 2D-Materialien ist entscheidend für den breiten Einsatz in der Energietechnik. Nur durch eine ganzheitliche Betrachtung von Materialdesign, Synthese, Geräteintegration und Nachhaltigkeit können diese neuartigen Werkstoffe das volle Potenzial für die Energiewende entfalten.

Endtext

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