Hogyan befolyásolják a vdW erők a 2D heteroszerkezetek elektronikai és optoelektronikai tulajdonságait?

A van der Waals (vdW) erők szerepe a 2D anyagokban, különösen a rétegzett szerkezetek esetében, kulcsfontosságú a szerkezet integritásának fenntartásában. Ezen erők gyengesége lehetővé teszi, hogy különböző anyagokat ragasszanak össze erős kémiai kötések nélkül. A gyenge interakciók közötti relatív rugalmasság lehetőséget biztosít arra, hogy éles interfészek alakuljanak ki, miközben minden anyag egyedi tulajdonságai megmaradnak. Emellett ez a gyenge vdW erő segíti a kristályrácsok helyes illeszkedését a rétegek között, ami kulcsfontosságú az elektronikus sávok megfelelő igazodásához, ami viszont elősegíti a hatékony töltéssel történő átvitelét és szétválasztását.

A homoszerkezetek, szemben a heteroszerkezetekkel, ugyanazon 2D félvezető anyagok többszöri rétegezésével jönnek létre. Ezen szerkezetek esetében is a vdW erők játszanak kulcsszerepet a vertikális rétegződés stabilizálásában. Az ilyen típusú rétegek ismétlődő mintázata, amely az AB vagy AA típusú elrendezéseken alapul, lehetővé teszi az egyes elektronikai tulajdonságok kialakítását. Az ilyen típusú, pontosan elrendezett szerkezetek tehát különböző elektronikai jellemzőkhez vezethetnek.

A 2D félvezetők oldalsó (laterális) elrendezését is figyelembe kell venni. Az oldalsó rétegződés esetén az egyes rétegek egy szubsztráton oldalirányban helyezkednek el, és ezek az interakciók szintén befolyásolják az elektronikai, optikai és szállítási tulajdonságokat. Az oldalsó rétegzés lehetővé teszi heterogén szerkezetek létrehozását különböző 2D félvezető anyagok kombinálásával.

A TMDC-k, mint például a MoS2 és WSe2, a periódusos rendszer 4., 5., 6., 7., 9. és 10. csoportjából származó tranzíciós fémekből és a 2-es számú chalcogén elemekből (kén, szelén, tellúr) állnak. Ezek az anyagok réteges szerkezettel rendelkeznek, amelyet a vdW kötések tartanak össze. A TMDC-ket atomvékony építőelemekként, hasonlóan a Lego darabokhoz, lehet egymásra helyezni, vagy oldalsó irányban illeszteni, hogy új szerkezeteket alkossunk. Ez a "Lego" elv a heteroszerkezetek új típusainak szintézisének alapjául szolgált, amelyek eddig példátlan tulajdonságokkal rendelkeznek.

A két réteg összekapcsolása, akár in-plane (oldalsó), akár vertikálisan, különböző típusú heteroszerkezeteket hoz létre. A kezdeti kísérletek a különböző 2D anyagok vertikális rétegzésére irányultak, amelyeket kontrollált transzferrel vagy előző rétegekre történő növesztéssel értek el. Az oldalsó heteroszerkezetek előállítása ugyanakkor jelentős nehézségekkel szembesült a fejlett növekedési módszerek tökéletesítése miatt, de az éloldali epitaxia technikájának alkalmazásával végül előrelépés történt.

A TMDC-kben a fém- és chalcogénatomok elrendezése két tetraéderből áll, amelyek ellentétes orientációkban helyezkednek el. Ezt az elrendezést két alapvető fázis jellemzi, az "H" és a "T" fázisok. Az H fázisban a tetraéderek szimmetrikusan rendeződnek, míg a T fázisban az egyik tetraéder 180 fokos elforgatása következtében egy oktáéderes szerkezet jön létre. A rétegződési sorrend, más néven polimorfizmus, hatással van az elektronikai konfigurációra, vibrációs spektrumokra és a fény-interakciós jellemzőkre.

Ezen fázisok és polimorfizmusok további vizsgálata lehetővé tette a különböző 2D Janus rétegek szintézisét, például a MoSSe és WSSe heteroszerkezetekét, amelyek különleges típusú-II sávigazodással rendelkeznek, amely elősegíti a fotokatalitikus aktivitás javítását. Az újabb kutatások egyre inkább az ilyen heteroszerkezetek alapvető mechanizmusainak megértésére összpontosítanak, különösen az izgatott töltéshordozók relaxációjának és rekombinációjának pontos megértésére.

Az új típusú 2D Janus heteroszerkezetek és azok optoelektronikai alkalmazásai jelentős előrelépést jelentenek a félvezetőanyagok fejlődésében. Ahhoz, hogy megértsük és kontrolláljuk ezen anyagok elektronikai viselkedését, elengedhetetlen a rétegződési rend és a rétegek közötti kölcsönhatások részletes vizsgálata. Ezen ismeretek birtokában az ipari alkalmazások, mint például a napelemek, fénykibocsátó diódák és egyéb fotonikus eszközök fejlődése tovább gyorsulhat.

Hogyan működnek a fém-oxid félvezetők és miért fontosak a jellemzőik?

Az ideális MOS eszköznek az alábbi jellemzőkkel kell rendelkeznie: A fémes kapu elég vastagnak kell lennie ahhoz, hogy egy egyenletes potenciálzónát képezzen, így az adott régió minden pontja azonos potenciállal rendelkezzen. Az oxid- félvezető rétegnek tökéletes szigetelőnek kell lennie, amely nem engedhet áramot át. Az oxid-félvezető érintkezési felületének tisztának kell lennie, mentes minden töltési központtól. A félvezető rétegnek elég vastagnak kell lennie ahhoz, hogy az elektronok át tudjanak haladni rajta anélkül, hogy elektromos térrel találkoznának, mielőtt elérnék a hátoldali érintkezőt. Az eszköz hátsó oldalán ohmos érintkezésnek kell lennie. A MOS szerkezet egy dimenziós, irányban változó rétegekkel rendelkezik, például az x irányba történő változás formájában. Az ideális MOS-ban a vezetési sáv (EC) és a Fermi szint (EF) közötti különbség, valamint az elektron affinitás (χ) azonos kell legyen a fém munkafunkciójával (ΦM).

A fém-oxid félvezetők leggyakoribb típusai n-típusú vezetőképességgel rendelkeznek, mint például az In2O3, ZnO és SnO2. Ezen kívül az olyan fém-oxidok, mint a nikkel-oxid (NiO) és a réz-oxid (Cu2O), amelyek p-típusú félvezetőként működnek, szintén nagy érdeklődésre tartanak számot. A fém-oxidok p-típusú félvezető tulajdonságainak kutatása folyamatosan fejlődik, és egyre több ígéretes anyagot fedeztek fel az évek során. Az elektronikus szerkezetek pontos tervezése, a fém cationok és az oxigén orbitálisa közötti kölcsönhatás megértése kulcsfontosságú lépés a p-típusú fém-oxidok előállításában.

A fém-oxid félvezetők előállítása során különböző szintetizálási módszerek állnak rendelkezésre. A leggyakoribbak a top-down és a bottom-up megközelítések. A top-down módszerhez a gőzfázisú bevonatolás technikáit használják, míg a bottom-up megközelítésben az oldatos kémiai eljárások, például a sol-gél módszer kerül alkalmazásra. A gőzfázisú növekedési módszerek közé tartozik a fizikai gőzfázisú lerakódás (PVD) és a kémiai gőzfázisú lerakódás (CVD), amelyek lehetővé teszik a pontos rétegvastagság és kristályszerkezet szabályozását. A PVD technikák közé tartozik a magnetron sputtering, a hő párologtatás és a molekuláris sugárzó epitaxia, amelyek mindegyike nagy precizitást igényel a filmek rétegződésénél, miközben magas költségekkel járnak. A CVD módszer különböző gázfázisú reakciókat alkalmaz a kívánt anyagok lerakódásához, és lehetővé teszi a filmek kiváló minőségű előállítását.

Fontos megjegyezni, hogy a fém-oxid félvezetők nemcsak az elektronikus alkalmazásokban, hanem az optikai eszközök terén is jelentős szerepet játszanak. Az optikai tulajdonságok, mint a fény áteresztő képesség és az áramkörökben való alkalmazásuk, szorosan összefonódnak az anyagok kémiai és fizikai tulajdonságaival. A jövőben az új típusú fém-oxidok kutatása és a szintetikus eljárások továbbfejlesztése új lehetőségeket kínálhat a nanoelektronikai eszközök, érzékelők és optikai rendszerek fejlesztésében.

Milyen előnyökkel járnak a fém-oxid félvezetők bioszenzor alkalmazásai?

Az elektro-kémiai érzékenység és az energia sávjaink közötti illeszkedés számos anyag esetében, így például TiO2, WO3, SnO2 és ZnO esetében, jelentős figyelmet vonzott. Ezek az anyagok kiválóan alkalmazhatóak enzim alapú bioszenzorokban. Az MOS-alapú enzim bioszenzorok számos előnnyel rendelkeznek: alkalmazkodó képességük különböző munkakörnyezetekhez, kiváló energiahatékonyságuk, érzékenységük és kémiai stabilitásuk mindenféle környezetben. A bioszenzor alkalmazások terén elsősorban monokomponensű MOS-ok kerülnek alkalmazásra, de számos példát találhatunk többkomponensű félvezetők, illetve összekapcsolt félvezetők, például kompozitok, tandemek és heterostruktúrák használatára is. Az ilyen típusú többkomponensű félvezető anyagokat más fémionokkal doppingolják vagy fém nanorészecskékkel kombinálják a tulajdonságaik javítása érdekében. Ebben a fejezetben csak négy fém-oxidot (TiO2, SnO2, ZnO és WO3) tekintünk át, amelyek tipikusak bioszenzor alkalmazásokban.

TiO2-alapú bioszenzorok

A TiO2 egy n-típusú félvezető, amely a kiváló kémiai stabilitásának, biokompatibilitásának és morfológiai plaszticitásának köszönhetően széleskörűen alkalmazható különböző területeken, beleértve a fotokatalízist, a bioszenzorokat, a fotovoltaikusokat és az energiatároló rendszereket. Az indium-ón-oxid (ITO) alapon elhelyezett fekete TiO2 rétegek alkalmazásával mikro-RNS szenzorokat hoztak létre, amelyek arany nanorészecskékkel vannak megerősítve. Az ilyen TiO2 filmek különböző alkalmazásokra, mint a mikro-RNS vagy a glükóz detektálása, rendkívül érzékeny bioszenzorokat eredményeznek.

SnO2-alapú bioszenzorok

Az SnO2 szintén széleskörű alkalmazást talált, beleértve a fényenergia átalakítást, bioszenzorokat, intelligens ablakokat és elektrokémiát, köszönhetően a magas felületi területének, a biokompatibilitásának, a nem-toxikus jellegének, a kiváló kémiai stabilitásának és a katalitikus aktivitásának. A SnO2 nanohuzalokból készült MOS-kat különböző alkalmazásokra, például H2O2 érzékelésére is sikeresen alkalmazták, amelyet hőelvonási módszerrel állítottak elő.

ZnO-alapú bioszenzorok

A ZnO egy széles sávú n-típusú félvezető, amely UV fény hatására n-típusú vezetőképességet mutat. A kristályosodás során hexagonális wurtzit szerkezetet vesz fel, és egyedi piezoelektromos képességekkel rendelkezik, mivel nem rendelkezik központi szimmetriával. A ZnO rendkívül előnyös lehet az orvosi bioszenzor alkalmazásokban, mivel jobban képes biológiai kötődést kialakítani, mint az ón-oxid, és nem mérgező, bőrkompatibilis. A ZnO különböző bioszenzor alkalmazásokra, például mikro-RNS-21 és glükóz detektálására nanocsillag formájában vagy hidrotermális eljárással előállított nanorodok segítségével alkalmazható.

WO3-alapú bioszenzorok

A WO3 kristályszerkezete szintén széles spektrumú alkalmazásokban használható, a szintézis hőmérsékletétől függően a szerkezet lehet kubikus vagy oktaéderes. A WO3 alapú anyagok készíthetők különböző fizikai és kémiai módszerekkel, amelyek pontosan kontrollált dimenzióval és kristályszerkezettel rendelkeznek, ideálisak szenzor kutatásokhoz. A WO3 alapú bioszenzorokat különböző morfológiákkal készítik el: virágszerűek aflatoxin B1 érzékelésére, nanorudak biszfenol-A detektálására, nanosheets szív biomarkerek, például TroponinI felismerésére.

A fém-oxid félvezetők alkalmazása nemcsak bioszenzorokban, hanem gázszenzorokban is jelentős előnyöket kínál. Az MOS anyagok magas érzékenysége, stabilitása, alacsony költsége, könnyű szintetizálhatósága, alacsony energiafogyasztása és magas hőállósága kiemeli őket, különösen a mérgező gázok, mint a H2S, NO2 és CO, valamint az olyan környezeti gázok, mint az O2, NH3, CO2 és O3 érzékelésében. A gázokkal való kölcsönhatás hatására a szenzorok ellenállása változik, és a gáz koncentrációjával arányos jel keletkezik.

MOS mint fotokatalizátor

A fotokatalízis elsődleges mechanizmusa a napenergia kémiai energiává való átalakítása, amely a színezékek vagy szerves szennyezők lebontására használható. Az MOS anyagok, mint fotokatalizátorok, kulcsszerepet játszanak ezen reakciókban, mivel elősegítik a bonyolult radikális láncreakciók katalizálását. Az MOS fotokatalizátorok előnyei közé tartozik az alacsony vagy nulla toxikus anyagok jelenléte, kedvező ár, a nanopartikula méretének és dopping koncentrációjának módosításával szabályozható fizikai-kémiai tulajdonságok és a jó fotokatalitikus élettartam.

A 2D félvezetők növekedésével és teljesítményével kapcsolatos kihívások és azok hatásai az elektronikai áramkörökre

A 2D félvezetők, mint a WSe2 és MoS2, a jövőbeli félvezető technológia legígéretesebb jelöltjei, különösen a 1 nm alatti csíktechnológia számára, mivel az egy atom vastagságú monomolekuláris rétegek stabil és erős elektromos tulajdonságokat biztosítanak. A legújabb kutatások és fejlesztések az ilyen anyagok előállításában és alkalmazásában számos kihívást hoztak, amelyekre a tudományos közösség már dolgozik a megoldásokon. Az egyik legnagyobb probléma a megfelelő növekedési és integrációs módszerek kifejlesztése a 2D rétegek számára, hogy azok kompatibilisek legyenek a hagyományos félvezető alapú gyártási folyamatokkal. Az alábbiakban áttekintjük ezeket a kihívásokat, valamint azok hatásait a jövőbeli elektronikai áramkörökre.

A monomolekuláris rétegek növekedésének pontos ellenőrzése is egy jelentős akadályt jelent. A különböző 2D félvezetők különböző mértékben érzékenyek az oxigénre, a páratartalomra és más környezeti szennyeződésekre, amelyek rontják a növekedésük minőségét. Továbbá, a szubsztrátokkal való megfeleltetési problémák és a rácsok eltérése is komoly akadályokat jelenthetnek a stabil monomolekuláris rétegek kialakításában, ami miatt az ilyen anyagok szilárd és megbízható integrálása a félvezető áramkörökbe továbbra is kihívást jelent.

A félvezető anyagok közötti interfész hibák és rácshibák is rontják az áramkörök stabilitását, különösen azáltal, hogy a fémek és a 2D félvezetők közötti Schottky akadályok magas ellenállást eredményeznek. A Schottky akadály magassága az anyagok fém munkafunkciójától és a félvezetők elektronaffinitásától függ. Az ilyen hibák kiküszöbölésére új, alacsony Schottky-barrierrendszerrel rendelkező anyagok, például a grafén alkalmazása válhat szükségessé, mivel a grafén kisebb rácskülönbségekkel rendelkezik a hagyományos fémekhez képest.

A stabilitás és a környezeti érzékenység kérdései sem hagyhatók figyelmen kívül. A 2D félvezetők hajlamosak a környezeti hatásokra, mint például a páratartalom és az oxigén, amelyek idővel degradálhatják az anyagokat. Ennek megelőzése érdekében megfelelő burkoló rétegekre van szükség, amelyek megakadályozzák a degradációt. Ezen kívül az ilyen anyagok időbeli fázisátmeneteket is mutathatnak, amelyek a hosszú távú stabilitás szempontjából további kihívásokat jelentenek.

A tranzisztorok és egyéb elektronikai eszközök teljesítménye is számos akadályba ütközik. A kontaktellenállás például jelentős hatással van a tranzisztorok teljesítményére, mivel a Schottky-barrier magasságának növekedése rontja a töltéshordozók áramlását. Az alacsony kontaktellenállás elérése érdekében új anyagok, például a Bi (bizmut) alkalmazása jelenthet megoldást. A Bi, mint fémszemikondiktor, alacsonyabb Schottky akadályt eredményez, és lehetőséget ad arra, hogy hatékonyabban áramoljon az áram az eszközökön keresztül.

További problémát jelenthet a rövid csatornás effektus (SCE), amely a nanoméretű tranzisztorokban jelentkezik, ahol a csatorna hossza közelíti a kiürülési rétegek szélességét, így a tranzisztor nem képes megfelelően kikapcsolni. Ennek elkerülésére a rétegek közötti dielektromos szigetelő rétegeket kell alkalmazni, amelyek nem haladják meg az 1 nm-t, mint például a h-BN (hexagonális bor-nitrid).

Végül, a hőelvezetés kérdése is kulcsfontosságú a jövő elektronikai áramkörei szempontjából. A tranzisztorok miniaturizálása és az integrációs sűrűség növekedése miatt egyre nagyobb problémát jelent a hő elvezetése. A megfelelő hőelvezetés érdekében mikrofluidikus csatornákat vagy olyan anyagokat alkalmaznak, amelyek növelik a hő átvitelére szolgáló felületet, mint például a hBN, amely jó hővezető tulajdonságokkal rendelkezik.