A tranzíciós fém-dikalcogénidek (TMD-k) egy új, két dimenziós anyagcsoportot képviselnek, melyek kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy a nemesfémeket helyettesítő katalizátorokká váljanak a katalitikus alkalmazásokban. A TMD-k kémiai összetétele az MX2 általános képlettel jellemezhető, ahol M a tranzíciós fémet, X pedig a kalkogént jelöli. Ezen anyagok egyedülálló tulajdonsága, hogy a rétegzett X–M–X szerkezetek kizárólag van der Waals-kölcsönhatások révén vannak összekapcsolva. A TMD-k közé tartozik a molibdén-diszelénid (MoSe2), molibdén-diszulfid (MoS2), szilicén (két dimenziós szilícium), borofen (két dimenziós bór), és volfrám-diszelénid (WSe2), valamint a hexagonális h-BN, volfrám-diszulfid (WS2) és germánium (két dimenziós germánium).

A TMD-k egyik legfontosabb jellemzője, hogy az indirekt sávzárású alapanyagok közvetlen sávzárású tulajdonságra váltanak, amikor többrétegű anyagból egyrétegűvé alakulnak. A TMD-k bulk kristályai, amelyek rétegekből állnak és van der Waals kötések tartják őket össze, mechanikai exfoliálással bilapok vagy monolapok formájában előállíthatók. Az elektronikai és optikai tulajdonságokban bekövetkező érdekes változásokat a kvantumzárás és felületi hatások magyarázzák, amelyek a TMD-ket rendkívül sokoldalúvá teszik különböző alkalmazások számára. A TMD-kben a spin-orbit kölcsönhatás mértéke jelentős, ami spin-szakadt sávokat eredményez, és ez lehetőséget biztosít az elektron spinjeinek elektromos modifikálására. Ez a tulajdonság különösen hasznos lehet a releváns területeken.

A TMD-k különösen nagy érdeklődést váltottak ki a katalitikus területen. A rétegzett szerkezetek kihasználásával a TMD-k lehetőséget biztosítanak a kristályrácsuk és a kapcsolódó feszültség tájak tudatos módosítására, ezáltal növelve a TMD-alapú katalizátorok katalitikus hatékonyságát. A MoS2, MoSe2, WS2, MoTe2 és WSe2 nanostruktúrák gyakori alkalmazást nyertek katalitikus folyamatokban kiemelkedő tulajdonságaik miatt. Ezeknek az anyagoknak a legfontosabb jellemzője a nagy felületi terület, az elektronikai tulajdonságok kiemelkedő volta, és magas kémiai stabilitásuk. A WS2 és MoS2 két alapvető kristályszerkezettel rendelkezik, amelyek 1T (fémszerű) és 2H (félvezető) néven ismertek, és mindegyik saját, különböző anyagi jellemzőkkel bír. Azonban léteznek olyan stratégiák, amelyek segítségével ezeket a fázisokat kölcsönösen átalakíthatjuk, a tervezés, szerkezeti elrendezés és konkrét kvantumállapotok függvényében. A MoS2 1T és 2H fázisainak kristallográfiai konfigurációit a 20.4 ábra szemlélteti.

A katalizátorok hatékonyságának javítása érdekében egyre több kutatás foglalkozik a TMD-k és más anyagok, például a fém-oxidok és szerves anyagok kombinálásával. Az ilyen összetett katalizátorok alkalmazása a töltéshordozók migrációjának elősegítésére szolgál, így csökkentve a fotogén elektron–lyuk párok visszaesését, ami különösen fontos a hidrogéntermeléshez szükséges katalizátorok hatékonysága szempontjából.

Az LDH (bimetallikus hidroxid) anyagok, melyek szintén két dimenziós szerkezettel rendelkeznek, jelentős szerepet játszanak a fotokatalitikus vízbontásban. Az LDH-k képlete [M2+1−x M3+x(OH)2][Ax/n]·mH2O, ahol az M fémionokat, az A pedig anionokat jelöl. A különböző LDH típusok szintéziséhez az x paraméter manipulálásával különböző kémiai összetételek és szerkezeti konfigurációk hozhatók létre. Az LDH-k katalitikus aktivitásának növelése érdekében a fémkationok és anionikus fajok beépítése jelentős hatással van az anyagok elektronikai és optikai tulajdonságaira. A magas munkafunkciójú fémek beépítése javíthatja az LDH-k optikai tulajdonságait, elősegítve a fotogén töltéshordozók hatékony elválasztását.

Az LDH-k fényelnyelési spektruma a 200–300 nm, 300–500 nm és 600–800 nm közötti tartományokban három jól látható abszorpciós sávot mutat, amelyek magukban foglalják az UV és a látható spektrumokat. Az LDH-k képesek a fényelnyelést a kémiai összetételük finomhangolásával kiterjeszteni, ami lehetővé teszi a különböző látható fény tartományoknak való megfelelést. A fény abszorpciós tartományának bővítése hatékony stratégiát jelent az optikai reakcióképesség növelésére, valamint a töltéshordozók elválasztásának és mobilitásának javítására.

A katalizátorok optimalizálása érdekében egyes LDH-k, mint a ZnCr, NiCo és CuCr, különböző fényaktív tulajdonságokkal rendelkeznek. A CdS/NiFe nanokompozitok hidrogénfejlesztési sebessége például figyelemre méltó, így ezek az anyagok ígéretes alternatívát jelentenek a nemesfémek nélküli katalizátorok számára a gazdaságos hidrogéntermelésben.

Hogyan befolyásolják a 2D félvezetők mechanikai tulajdonságait az interréteg kölcsönhatások és a hibák?

A kísérleti és számításos értékek közötti különbség abból adódik, hogy a DFT-generalizált gradiens közelítés (GGA) számításai alábecsülik a félvezető nanomateriálok tömegmoduláját. Hasonlóan a grafénhez, a CVD MoS2 modulusát körülbelül 5%-kal alacsonyabbnak találták, mint a hámozott változatát, ami azt jelzi, hogy a mechanikai tulajdonságai nem változnak drámaian a pont hibák bevezetésével. A két különböző 2D-SCM monoláyer hosszú távú kölcsönhatások révén történő összerakása két dimenziós heteroszerkezeteket képez. Az ilyen heteroszerkezetek ígéretes előnyökkel rendelkeznek a 2D-SCM-ek optoelektronikai eszközökben való alkalmazása szempontjából. Azonban az interréteg kölcsönhatások hatása a mechanikai tulajdonságokra még nem került kellőképpen vizsgálatra.

Korábban különböző módszereket alkalmaztak az interréteg kölcsönhatások mechanikai szempontú vizsgálatára. Az olyan homostruktúrák esetében, mint a több rétegű grafén, a réteg közötti nyíró Raman módusokat számították ki. A kutatás kimutatta, hogy a Raman csúcsok eltolódása a kétdimenziós grafén rendszerről a tömeges grafitra azt jelzi, hogy a csúcsok korrelálnak a réteg közötti kölcsönhatásokkal. Ezt az indirekt módszert a grafit nyíró modulusának számítására is használták, ami arra utal, hogy ez a módszer a 2D heteroszerkezetek esetében is alkalmazható lehet. Koren és munkatársai AFM segítségével számították ki azt az erőt, amely szükséges egy grafén réteg elcsúsztatásához, oldalirányú erőt alkalmazva. Ez alapján a felületi tapadási energiát 0.227±0.005 J/m²-nek határozták meg, ami összhangban volt a teoretikus eredményekkel. Bár ez a módszer pontosan mérheti a réteg közötti kölcsönhatásokat a 2D homostruktúrák esetében, nem alkalmazható a 2D heteroszerkezetekre a kétdimenziós nagy heteroszerkezetek kialakításának nehézségei miatt.

A heteroszerkezetek mechanikai viselkedésének számítására Liu és munkatársai a nanoindentációs folyamat során az E2D rugalmas modulusz (E2D) értékeket használták. Az eredmények arra utaltak, hogy a bilayer struktúrák E2D értékei alacsonyabbak, mint az egyes monoláyerek E2D értékeinek összege, ami arra enged következtetni, hogy a monoláyerek csúsznak egymáson, és a rétegek közötti kölcsönhatások érvényesülnek. Az kísérleti elrendezésben a szerzők egy bilayer anyagot felfüggesztettek egy gömb alakú lyukban. Az alsó réteg szorosan rögzítve volt az aljzathoz, míg a felső réteg szabadon csúszhatott. A mérés során a bilayer 2D modulusát mérték, amely az anyag merevségét jelenti. Az interakciós együttható ( ), amely a monoláyerek közötti kölcsönhatások erősségét mérte, 0.80 volt a MoS2–WS2 heteroszerkezet esetében, 0.75 a MoS2–MoS2 homostruktúrában, és 0.69 a MoS2–grafén heteroszerkezetben. A leírt megközelítés ugyan nem egy explicite kidolgozott módszer a kölcsönhatások kiszámítására, de segít egy egyszerűbb módot adni az interréteg kölcsönhatások meghatározására.

A 2D-SCM-ek, mint rendkívül vékony és atomisztikus simaságú anyagok, alkalmasak in-plane mechanikai nanodevizekhez, mint például rezonátorokhoz. A rezonátorok elektromechanikai gépek, amelyek külső erő hatására rezgéseket generálnak, és különböző érzékelőkben, például tömegmérésre és erőmérésre is alkalmazhatóak. Bunch és munkatársai kifejlesztettek egy prototípust a grafén rezonátor számára. A grafén nanomateriálokat a rezonátorok számára ideális jelöltnek tartják magas Young-modulusa, kis tömege és hatalmas felülete révén. Hasonlóképpen más 2D-SCM-ek is potenciálisan alkalmazhatóak mechanikai rezonátorokként. A kutatott mechanikai tulajdonságok alapján jelentették, hogy a MoS2 is felhasználható rezonátorként.

A 2D-SCM-ek felfedezése új korszakot nyitott az anyagtudományok területén. Az 2D-SCM-ek rendkívüli optikai, elektromos, hőmérsékleti és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek sokféle alkalmazásra alkalmassá teszik őket, mint például optoelektronikai, fotonikai és rugalmas elektronikai eszközök. Ezen anyagok sajátos jellemzői, mint például a fény- és anyaginterakciók erőssége és a magas töltéshordozó mobilitás, lehetővé teszik számukra a fotodetektorok és lézerek alkalmazását. A kutatók a nemlineáris optikai tulajdonságaikat is felfedezték, valamint a sávrésük hangolásának lehetőségét is vizsgálták, például feszültségmérnökséggel, dopingen vagy heteroszerkezetek révén. Ezenkívül a 2D-SCM-ek hőmérsékleti tulajdonságai is a kutatások tárgyát képezik, amelyek jelentős hatással vannak a termoelektrikus anyagok és a hőkezelési technológiák területére. A 2D-SCM-ek, amelyek kiemelkedő töltéshordozó mobilitással rendelkeznek a megfelelő tömeges fázisokhoz képest, képesek modernizálni a következő generációs elektronikai eszközöket, elősegítve a gyors teljesítményt. A mechanikai tulajdonságaik lehetővé teszik számukra a rugalmas elektronikában, rezonátorokban, energiahasznosításban és érzékelő alkalmazásokban való felhasználást. Azonban további kutatások szükségesek a stabilitás problémáinak megoldására, hogy teljes mértékben kihasználhassák e nanomateriálok képességeit. Emellett a heteroszerkezetek esetében a hibák és a mechanikai tulajdonságok közötti összefüggéseket tovább kell értékelni, mivel ezen anyagok hibái javíthatják vagy gyengíthetik a réteg közötti kölcsönhatásokat, és így hatással lesznek a tulajdonságokra.

A TMDC-k elektromos teljesítményének szabályozása és a molekuláris dopping szerepe

A félvezető MoS2 szerkezetében tapasztalható mobilitás csökkenése, amely az HfO2 dielektromos réteggel történő kapszulázás után 1,4-ről 0,7-re csökken, a kísérletileg megfigyelt csökkenésnél sokkal nagyobb, ami arra utal, hogy magasabb hőmérsékleten további szórási mechanizmusok is szerepet játszanak. Az újabb elméleti munkák figyelembe vették az oxid dielektromos rétegekből származó felületi fononokat, amelyek jobban illeszkednek a kísérleti megfigyelésekhez. Különösen, a mobilitás gyenge függőséget mutat a hordozó sűrűségétől minden hőmérsékleten, kivéve a T < 10 K tartományt, ahol ez a függőség markánsá válik. Ez a hőmérsékleti függőség a töltéssel rendelkező szennyeződések miatti szóródásnak tulajdonítható alacsony hőmérsékleten, ahol a magasabb hordozó sűrűség hatékonyabban árnyékolja a töltéseket, ezáltal magasabb mobilitást eredményezve.

A MoS2 rétegelt anyagok molekuláris doppingja az egyik legintenzívebben kutatott terület a 2D anyagok alkalmazásának fejlesztésében. A doping célja, hogy az anyag elektromos tulajdonságait szabályozza úgy, hogy az elektronokat (n-típusú dopping) vagy a lyukakat (p-típusú dopping) bejuttatja a MoS2 szerkezetébe. Két fő doping típus létezik a 2D félvezetők esetén: felületi töltésátviteli doping és szubsztitúciós doping. A felületi töltésátviteli doping során az elektronok cserélődnek a MoS2 felületén adszorbeált anyagokkal, miközben a MoS2 szerkezete megmarad. Ez a folyamat visszafordítható, ha különböző doppinganyagokat alkalmazunk. Ezzel szemben a szubsztitúciós doping során a Mo vagy S atomokat helyettesítik más, eltérő valenciájú atomokkal, ami a MoS2 lapos, sp2-hálózatos szerkezetének sérülését eredményezheti. Az ilyen típusú doping hatására a MoS2 rendszere n- vagy p-típusú félvezetővé válhat, attól függően, hogy milyen dopping stratégiát alkalmaznak.

A MoS2 elektromos teljesítményének javítása érdekében elektrokémiai csapdázást alkalmaznak, amely lehetővé teszi az elektromos kétszeres réteg (EDL) kialakítását. Ez az elv a hagyományos n-típusú félvezetők és a folyékony elektrolit között jön létre, amikor a pozitív gate feszültség hatására az elektrolit anionjai a gate elektródához vándorolnak, míg a kationok az elektrolit–félvezető interfészén halmozódnak fel, Helmholtz réteget alkotva. A MoS2 felületén kialakuló EDL, amely az elektrolit ionjaival együtt elektronok felhalmozódásához vezet, alapvető fontosságú a 2D anyagok elektromos tulajdonságainak finomhangolásában. Az elektrokémiai csapdázás és az interkaláció egyaránt fontos módszerek, amelyek lehetővé teszik az anyagok tulajdonságainak kontrollálását és a különböző elektronikus állapotok előidézését.

Az interkalációs folyamatok nem csupán az anyag elektromos jellemzőit, hanem a szerkezeti és fázisátmeneteket is befolyásolják. A 2D anyagok esetén, mint a MoS2 vagy a SnSe2, az ionok, atomok és molekulák interkalációja jelentős változásokat okozhat a hordozó sűrűségben és a szerkezeti felépítésben. Az elektrokémiai interkaláció különösen előnyös, mivel a kontrollált beépülés visszafordítható és precíz, így a különböző interkalált vegyületek szerkezeti és elektronikus fejlődését az állapotfelismerő technikák segítségével követhetjük. Az interkalációs folyamatok olyan újfajta fázisátmeneteket eredményezhetnek, amelyek új tulajdonságokat adnak a 2D anyagokhoz, például szupervezetői képességeket, ferromágnesességet vagy ferroelektrikus viselkedést.

Fontos figyelembe venni, hogy az interkalációs technikák alkalmazása nem csupán az anyagok anyagtani aspektusait módosítja, hanem új technológiai lehetőségeket is kínál a jövőbeli nanoelektronikai eszközök fejlesztésében. A 2D anyagok, mint a MoS2, amelyek rendkívüli elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, alapvető szerepet játszhatnak a következő generációs elektronikai, fotonikai és energiatároló eszközök fejlesztésében. Az elektrokémiai módszerek, különösen az interkaláció, lehetővé teszik az anyagok tulajdonságainak finomhangolását, miközben a szerkezeti stabilitás megőrzése mellett széleskörű alkalmazásokra nyújtanak lehetőséget.

Milyen előnyökkel járnak az egyenrétegű üzemanyagcellák a hagyományos, elektrolit tartalmú cellákkal szemben?

Az üzemanyagcellák fejlesztésének irányzatai között az elektrolit nélküli vagy egyenrétegű üzemanyagcellák egyre nagyobb figyelmet kapnak. E cellák legfőbb előnye, hogy megszüntetik az elektrolit használatából adódó problémákat, mint például a biztonsági kockázatokat és az alacsony ionos mobilitást. A hagyományos, folyadék alapú elektrolitok használatával kapcsolatos korlátozások, mint például a magas működési hőmérséklet és a különféle áramköröket érintő problémák, sokáig akadályozták az üzemanyagcellák hatékonyságának növelését. Azonban az egyenrétegű üzemanyagcellák, amelyek nem igényelnek külön elektrolitot, jelentős előrelépést jelentenek ezen a területen.

Az ilyen típusú cellák egyik érdekes példája Ganesh et al. kutatásai, ahol LiCoO2/SnO2 két dimenziós félvezető anyagot alkalmaztak p-n átmenetes üzemanyagcellák tervezésére. A kutatók a SnO2 nanorészecskéket ko-precipitációs módszerrel szintetizálták, majd azokat vékonyfilm p-n átmenetes üzemanyagcellákká alakították. Ezen készülékek maximális teljesítmény sűrűsége 0,61, 0,82 és 0,30 W/cm² volt, a különböző cella típusoknak megfelelően. Az elektrolit nélküli kialakítás lehetővé tette a belső áramkörök zavartalan működését, elkerülve az elektronok áramlását, ami javította a készülékek megbízhatóságát.

Bár az ilyen típusú üzemanyagcellák előnyei nyilvánvalóak, a fejlesztésük során felmerült új kihívások is. A szilárd oxidos üzemanyagcellák működési hőmérséklete gyakran 800°C felett van, ami jelentős technológiai korlátokat jelenthet a mindennapi alkalmazásokban. Erre válaszul a kutatók alacsonyabb működési hőmérsékleten működő elektrolitokat kezdtek el fejleszteni, például a Shah et al. által tervezett LaSrTCrCeO3 anyagot, amely 520°C-on is magas ionos vezetőképességet biztosít, miközben kiváló üzemanyagcella teljesítményt nyújt. Az ilyen anyagok lehetőséget adnak a szilárd oxidos üzemanyagcellák alkalmazásának szélesebb körű elterjedésére, különösen olyan iparágakban, ahol alacsonyabb hőmérsékletek is elegendők az energiahatékonyság fenntartásához.

A kutatók nemcsak új elektrolitok fejlesztésével próbálnak előrelépni, hanem a heteroszerkezetek alkalmazásával is. Az alumínium-oxid és cerium-oxid alapú kompozit elektrolitok például magas ionos vezetőképességet biztosítanak, ugyanakkor a széles sávú gátak is hozzájárulnak a fokozott elektronáramlás korlátozásához, ami javítja az üzemanyagcellák teljesítményét. A különböző heteroszerkezetek alkalmazása lehetővé teszi a hatékonyabb energiaátvitelt, miközben csökkenti az oxigénhiányból adódó problémákat, elősegítve az ionos áramlást.

A szilárd-oxid üzemanyagcellák fejlődése tehát nem csupán az elektrolit anyagok új típusainak kifejlesztését jelenti, hanem az üzemanyagcellák működési hőmérsékletének csökkentését, amely hozzájárulhat a környezetbarátabb és gazdaságosabb energiaforrások elterjedéséhez. A kutatás jelenlegi irányvonalai középpontjában az áll, hogy olyan anyagokat találjanak, amelyek magas ionos vezetőképességet biztosítanak alacsonyabb hőmérsékleten is, miközben megőrzik az üzemanyagcellák stabilitását és hosszú távú megbízhatóságát.

Az üzemanyagcellák jövője tehát ígéretes, mivel a tudományos közösség folyamatosan dolgozik olyan anyagok és technológiák kifejlesztésén, amelyek még hatékonyabbá teszik a megújuló energiaforrások hasznosítását. Az ilyen fejlesztések segíthetnek az energiahatékonyság növelésében, miközben csökkenthetik az üvegházhatású gázok kibocsátását és az energiapazarlást, így hozzájárulva a fenntartható jövő megteremtéséhez.

Hogyan változtatják meg a kis dolgok az idő értékét és jelentőségét?
Hogyan strukturáljunk érvet: a bekezdések és mondatok szerepe az írásban
Hogyan élnek és táplálkoznak az állatvilág legegyszerűbb élőlényei?