A 2D félvezetők anyagainak integrációja számos izgalmas lehetőséget kínál az elektronikai és fotonikai eszközök fejlesztésében. Az 2D anyagok, különösen a két dimenziós félvezetők (2D-SCM), rendkívüli tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a miniaturizációs határok átlépését. Ezek az anyagok nemcsak a hagyományos elektronikai eszközöket képesek forradalmasítani, hanem új lehetőségeket is nyújtanak a fény alapú alkalmazásokban, például az optikai logikai műveletekben és a hibrid informatikai rendszerekben.

A 2D félvezetők azon képessége, hogy az atomok egyetlen rétegéből állnak, különösen értékessé teszi őket a nanoelektronikai eszközök számára. Az ilyen anyagok, mint a grafén, a MoS2 vagy a borofén, kiemelkedő elektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik az újgenerációs félvezetők és eszközök, például tranzisztorok és fényérzékelők kifejlesztését, amelyek a jövőben hozzájárulhatnak az elektronikai rendszerek teljesítményének növeléséhez.

Az integráció más anyagokkal, mint például szilícium vagy különböző nanostruktúrák, új utakat nyithat a fejlettebb elektronikai eszközök fejlesztésében. Ez a szinergia nemcsak a technológiai határok kitolását szolgálja, hanem a különböző funkciók kombinálását is lehetővé teszi, amelyek korábban nem voltak elérhetők. Ennek a fejlesztésnek a következő lépései közé tartozik a 2D félvezetők nagy mennyiségű szintézise, a szilárd alapú integrációs módszerek finomítása és az alkalmazások széleskörű tesztelése.

Bár a 2D-SCM anyagok rengeteg lehetőséget kínálnak, nem mentesek a kihívásoktól. Az egyik legnagyobb probléma a stabilitás és a hordozó mobilitás. A stabilitás kérdése különösen fontos, mivel az anyagok hajlamosak gyorsan elveszíteni kívánt tulajdonságaikat, ha nem kezelik megfelelően. A hordozó mobilitás javítása szintén kulcsfontosságú, mivel ez közvetlen hatással van az eszközök teljesítményére, és számos potenciális alkalmazást akadályozhat, ha nem sikerül előrelépni ezen a téren.

A jövőbeni kutatásoknak és fejlesztéseknek tehát ezen problémák kezelésére kell összpontosítaniuk, hogy lehetővé váljon a 2D-SCM alkalmazások széleskörű integrálása és alkalmazása. Kiemelten fontos a nagy mennyiségű szintézis továbbfejlesztése, a különböző anyagok közötti heterogén integráció javítása, valamint a gyártási eljárások előkészítése. A kutatások ezen irányainak előmozdítása nélkülözhetetlen a fenntartható fejlődéshez és az új generációs elektronikai rendszerek megvalósításához.

A 2D félvezetők integrációja tehát egy rendkívül ígéretes, de kihívásokkal teli terület, amely folyamatos kutatást és fejlesztést igényel. Ahhoz, hogy valóban kiaknázhassuk az ebben rejlő potenciált, elengedhetetlen a stabilitás és a mobilitás javítása, az integrációs technikák fejlesztése és a széleskörű alkalmazások tesztelése.

Hogyan befolyásolják a 2D félvezetők a szuperkondenzátorok teljesítményét?

A szilárd állapotú anyagok sűrűsége, valamint a kénhiányos helyek jelenléte következtében a 2D anyagok alacsony kristályosodottsággal rendelkeznek. A szintézist követően a 2D több rétegű lemezeket vákuumos kvarc csövekben dolgozták fel, alacsony nyomáson (7 torr) egy kemencében, és az anyagot közvetlenül SiO2/Si felületre szállították. A kén eloszlását a tömegáram-szabályozó és a CVD rendszer segítségével irányították. A szintetizált anyagot atomi erő mikroszkóppal jellemezték, amely egy rendkívül egyenletes és tiszta felületet mutatott, Bi2S3 kristályokkal, vegyi maradékok és kritikus hibák nélkül, körülbelül 10 nm vastagsággal. A CVD módszer optimális tulajdonságokat kínál, mint a magas kristályos minőség, skálázható méretek, kiváló elektronikus teljesítmény és szabályozható vastagság. Azonban a CVD egy drága és energiaigényes eljárás, mivel magas hőmérsékletet és vákuum körülményeket igényel. Ezzel szemben a kolloid/oldat szintézise előnyökkel rendelkezik, mivel gazdaságosabb és könnyen alkalmazható.

A kolloid szintézis módszerét Son et al. alkalmazták CdSe alapú 2D nanokristályok előállítására, amelyek potenciális alkalmazásokat kínálnak különböző elektronikus eszközökben. Az ilyen nanokristályokat széles körben tanulmányozzák optikai és elektromos jellemzőik alapján, mivel alakfüggőek. A két különböző kristályszerkezet – kocka és hexagonális – közül a hexagonális szerkezetek nagyobb mértékben képesek növelni az áramkibocsátást a szerkezeten belül. A szintézis két fő módszert alkalmaz: a top-down és a bottom-up megközelítéseket. A top-down módszerbe tartozik a folyadékfázisú exfoliáció, a kémiai ioninterkalációs exfoliáció és az elektrokémiai ioninterkalációs exfoliáció. A bottom-up megközelítésben fémionok/chalkogén előanyagai, szerves ligandumok és oldószerek keverednek egy flaskban, N2 védőgáz mellett, és az 2D anyagok magas hőmérsékleten kezdenek el növekedni, követve a klasszikus LaMer elméletet, amely a reakcióidő növekedésével magában foglalja az előanyagok nukleációját, növekedését és végül az Oswald érlelést. A szintetizált kristályszerkezetek gyors és magas fotóválaszt adtak a teljes látható tartományban, ami rendkívül vonzóvá tette őket eszközalkalmazásokban, rétegzett struktúrákban más 2D anyagokkal, például grafénnel, fotodetektorokként.

A 2D félvezetők szuperkondenzátorokban való alkalmazása különös figyelmet érdemel, mivel az energia tárolás iránti növekvő kereslet és a környezeti problémák kezelése ezt a technológiát kulcsfontosságú tényezővé emelik. A szuperkondenzátoroknál az elektród anyagok kiválasztása döntő fontosságú, mivel ezek befolyásolják az elektrokémiai tulajdonságokat, mint az energia- és teljesítménysűrűséget, valamint a ciklikus stabilitást. Az elektród anyagoknak nemcsak jó elektrokémiai teljesítményt kell nyújtaniuk, hanem képesnek kell lenniük a hő- és kémiai stabilitás fenntartására is. A szuperkondenzátorok számára szükséges további alkotóelemek, mint az elektrolit anyagok, áramgyűjtők, szeparátorok és tömítőanyagok is közvetetten hozzájárulnak az elektrokémiai teljesítményhez.

A 2D anyagok, mint például MXenes, fém-szervezett keretek (MOF), kovalens szerves keretek (COF) és más kompozit anyagok, ígéretes lehetőségeket kínálnak elektród anyagként. Az MXenes anyagok 2011-ben kerültek először felfedezésre, és olyan 2D szervetlen vegyületek, amelyek átmeneti fémek nitrideit, karbidjait és karbonitridjeit tartalmazzák. Ezek az anyagok kiemelkedő jelöltek az energiatárolás területén, különösen szuperkondenzátorok elektród anyagaként, mivel a víztaszító tulajdonságok és a fémes vezetőképesség kombinációja javítja az energiatároló eszközök teljesítményét. Az MXenes és MnO2/Ti3-C2Tx_Ar kompozitokkal készült vízalapú szuperkondenzátorok nagyobb speciális kapacitást mutattak (212 F/g), mint a tiszta Ti3C2Tx_Ar, és a ciklusok száma is meghaladta a 10 000-et, míg a tiszta MnO2 alapú elektródokkal készült szimmetrikus kondenzátorok csökkentett kapacitásmegőrzéssel rendelkeztek.

A MOF-ok olyan hibrid anyagok, amelyek kristályos szerkezetüknek és magas porozitásuknak köszönhetően kiemelkedő elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ugyanakkor a magas kristályosság miatt jelentős korlátozásokkal is járnak, például a rövid ciklikus stabilitás, különösen magas töltési és kisütési sebességek mellett. A Salunke et al. által végzett kutatások az oxigén- és nitrogén-gázokkal végzett hőkezelésre összpontosítottak, amely javítja az MOF előanyagai elektroaktív felületét. A kutatások során a szuperkondenzátorokban használt kompozit anyagok a specifikus kapacitás növelését mutatták, különösen a Na2SO4 elektrolit oldatban.

A COF-ok egy másik ígéretes anyagcsoportot képeznek, amelyek szerves alapú, kovalens kötésekből álló hálózatokat képeznek. A COF-ok szerkezetüket a szerves ligandumok és a fémek közötti kémiai kötések szabályozzák, és a megfelelő tervezéssel különféle funkciók elérésére képesek. A COF-ok elektromos és vezető alkalmazásokra is alkalmasak, és ezek pseudokapacitásuk miatt különösen vonzóak szuperkondenzátorok elektród anyagaként. A kutatások során N-dopált szén szintézisét alkalmazták, amely a COF-ek karbonszéntartalmú mikropórusaiban egyedi kapacitásértéket ért el, valamint gyors töltési és kisütési sebességgel rendelkezett.

Mindezek mellett, a fém-nitrid anyagok, különösen a 2D átmeneti fém-nitrid komponensek szintén figyelmet érdemelnek a szuperkondenzátorok számára, mivel egyedi vezetőképességük, kémiai stabilitásuk és mechanikai tulajdonságaik révén szintén kiemelkedő teljesítményt mutatnak az energiatárolás területén.

Hogyan segíthetünk a tizenéveseknek a kezelésben: Az első lépések és a helyes döntések
Miért fontos a hősök közötti viszály a kelta mondavilágban?
Miért nem vált Ardini a Shadow sikerévé? A varázsló-nyomozó történetei és titkai.