A kétdimenziós (2D) anyagok területe az utóbbi évtizedekben robbanásszerű fejlődésen ment keresztül, és az ipari és tudományos közösség egyre inkább felismeri azok potenciálját. A grafén felfedezése 2004-ben indította el ezt az új anyagtudományi forradalmat, ami az atomvastagságú, különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagok felfedezéséhez vezetett. Mindez új kihívások elé állította a kutatókat, hiszen a 2D anyagok előállítása, manipulálása és alkalmazása radikálisan eltér a hagyományos háromdimenziós anyagokétól. A 2D anyagok különböző osztályai, mint a grafén, tranzíciós fém diszulfitok (TMD-k), és egyéb vegyi elemeket tartalmazó struktúrák mindegyike egyedi elektronszerkezettel és optikai tulajdonságokkal bír, amelyek különböző alkalmazási lehetőségeket kínálnak.

A kétdimenziós félvezetők, például a MoS2 vagy WS2, az egyik legfontosabb fejlesztési irányt képviselik a modern elektronikai iparban. Ezek az anyagok nemcsak a hagyományos félvezetők tulajdonságaival rendelkeznek, hanem a vékony rétegek és a határfelületek egyedi elektronikai és optikai viselkedése révén teljesen új lehetőségeket kínálnak a nanoelektronikai eszközök terén. A tranzisztorok, fényérzékelők, napcellák és egyéb eszközök teljesítménye jelentősen javítható ezen anyagok alkalmazásával, mivel az elektronikus tulajdonságok könnyedén szabályozhatók a rétegvastagság, a kémiai doping, vagy az elektrosztatikus mező segítségével.

A 2D anyagok előállításához számos módszert alkalmaznak, amelyek közül a legnépszerűbbek a kémiai gőzfázisú lerakás (CVD), a folyadékfázisú exfoliáció és a mechanikai vágás. A CVD-módszer a leginkább elterjedt a nagy területű és magas minőségű 2D anyagok előállításában. A folyadékfázisú exfoliáció, amelyet például a grafén és más TMD-k előállításában használnak, szintén kedvelt, mivel képes nagy mennyiségben és viszonylag egyszerűen előállítani a kívánt anyagot. Azonban, mint minden új technológia esetében, a nagy skálás gyártás és a tömegtermelés még mindig számos kihívást jelent, mint a kontrollálható minőség fenntartása és a hibák minimalizálása.

A 2D anyagok egyik legfontosabb jellemzője a hibák és a szerkezeti defektusok hatása, amelyek nemcsak a mechanikai, hanem az elektronikai és optikai tulajdonságokat is befolyásolják. A hibák forrása sokféle lehet, a szintetikus eljárások során fellépő nem kívánt kémiai reakciók, a nem megfelelő hőmérsékleti és kémiai környezetek, valamint a mechanikai feszültségek mind hatással vannak az anyagok teljesítményére. A hibák minimalizálása érdekében új fejlesztések szükségesek, amelyek képesek a 2D anyagok szerkezetét és tulajdonságait a kívánt módon kontrollálni.

A kutatók számos stratégiát dolgoznak ki annak érdekében, hogy a 2D anyagokat az ipari alkalmazások számára a lehető legjobban kihasználhassák. Az egyik ilyen stratégia az anyagok rétegrendszerbe történő rendezése, azaz heteroszerkezetek létrehozása. Ezekben az esetekben a különböző 2D anyagokat egymásra helyezik, és így egy olyan új anyagot hoznak létre, amely más tulajdonságokkal rendelkezik, mint az egyes komponensek. A heteroszerkezetek használata különösen fontos a fotonikai alkalmazások, például a fényérzékelők és a lézerek területén, mivel ezek az anyagok képesek több hullámhosszon is működni.

Fontos, hogy a 2D anyagok nemcsak elektronikai eszközökre, hanem biomedikális és környezeti alkalmazásokra is nagy potenciált kínálnak. Az anyagok felhasználhatók érzékelőként a mérgező anyagok detektálására, a gyógyszeradagolás célzott irányítására, illetve a víz- és levegőtisztítási technológiákban is. Ezen kívül a 2D anyagok alkalmazása a tárolóeszközök terén is előnyös lehet, különösen az akkumulátorok és szuperkondenzátorok fejlesztésében, mivel a nagy felület és a kiváló vezetőképesség lehetővé teszi a hatékony energia tárolását.

A 2D anyagok alkalmazása tehát nem csupán az elektronikai iparra korlátozódik, hanem számos egyéb iparág számára is új lehetőségeket kínál. A kutatás folyamatosan új alkalmazásokat fedez fel, miközben a gyártási eljárások fejlődnek, és a tulajdonságok szabályozhatósága egyre inkább megoldásra kerül. Azonban fontos figyelembe venni, hogy a tömegtermelés és az ipari skálázás még mindig komoly kihívások elé állítja a szakértőket. Az anyagok minőségi és stabilitási problémáinak kezelése, valamint a különböző technológiai megoldások integrálása nélkülözhetetlen ahhoz, hogy a kétdimenziós anyagok teljes potenciálját kiaknázhassuk.

Miért fontosak a széles tiltó űrű 2D félvezetők a modern elektronikában?

A MoSe2-alapú FET-ek funkcionális kialakítása során alkalmazott eszközök új lehetőségeket kínálnak az analitikus detektálás és az elektronikai eszközök fejlesztésében. A két dimenziós anyagok különleges tulajdonságai – mint az atomvékony felület, a könnyű elektrosztatikus vezérlés és a kiváló mobilitás – lehetővé teszik a következő generációs szenzorok és eszközök tervezését. A MoSe2 felületének stabil funkcionálisítása, amely a pyrene-lysine-biotin (PLB) támogató molekula alkalmazásával valósul meg, lehetővé teszi a célzott analyzáló anyagok érzékelését és azok precíz azonosítását, mindössze egy perc alatt, piko-molar szinten. A PLB és a streptavidin közötti nem-kovalens kölcsönhatás lehetővé teszi a MoSe2-alapú FET gyors és pontos reakcióját, amelyet az áram- és feszültség karakterisztikák (transfer és kimeneti görbék) is tükröznek.

Ezen kívül a széles tiltó űrű 2D félvezetők, mint például a MoTe2 és a GeSe, valamint az ezekből készült van der Waals (vdW) BJT-k, új típusú bipoláris tranzisztorokat kínálnak. A közös alapú konfigurációban mért eszközök bemutatják, hogyan befolyásolják a különböző bázis-emitter feszültségek (Vbe) és gyűjtő-alap feszültségek (Vcb) az áramok és a tranzisztor teljesítményét. Az áramnyereség (β) függése Vbe és Vcb változó értékeitől bemutatja a tranzisztor kiváló teljesítményét, amely tiszta felülettel és magas hordozó sűrűséggel rendelkező emittere révén érhető el. A legjobb áramnyereség-érték, 0,95, a 0,5 V-os Vbe és 2 V-os Vcb értékek mellett érhető el, amely lényeges javulás a korábban ismert vdW 2D BJT eszközökhöz képest.

A széles tiltó űrű 2D félvezetők, mint a MoS2, MoSe2 és WSe2, különösen ígéretesek az optoelektronikai alkalmazásokban, például napcellákban, fotodetektorokban, LED-ekben és fototranszistorokban. A finomhangolható sávrésük, erős fotolumineszcenciájuk és jelentős exciton kötési energiájuk kombinációja új utakat nyit a jövő elektronikai fejlesztései előtt. A TMD-k például közvetlen sávréssel rendelkeznek (~1.8 eV), ami lehetővé teszi számukra a nagy mobilitás (~700 cm²V−1s−1) és magas áram ON/OFF arány (~107–108) elérését. Ezen kívül az 2D anyagok, mint a MoS2, rendkívül nagy optikai abszorpcióval rendelkeznek a látható tartományban (~107 m−1), ami különösen alkalmassá teszi őket optoelektronikai alkalmazásokra.

A 2D félvezetők atomvékony felülete jelentős előnyt biztosít a hagyományos 3D félvezetők, például a Si vagy Ge anyagokkal szemben, mivel az utóbbiak hajlamosak a hordozókat akadályozó felületi hibákra. Az 2D anyagok atomtalan felülete és az eszközök kisebb méretűre történő csökkentése lehetővé teszi, hogy az eszközök a Moore törvénye szerinti miniaturizálás követelményeinek is megfeleljenek. Az InSe, mint atomvékony félvezető, különösen nagy mobilitást mutat, elérve a 10⁴ cm² V−1s−1 értéket, és egy 1,2 eV energiasávval rendelkezik. Az InSe monokristályok különleges elektromos tulajdonságai az alkalmazásukat különböző elektronikai és optoelektronikai eszközökben különösen vonzóvá teszik.

Ezen új 2D anyagok kiemelkedő szerepet játszanak a jövő elektronikai alkalmazásaiban, mivel képesek hatékonyan működni a magas frekvenciákon, és számos előnyös jellemzővel rendelkeznek, mint a magas törési feszültség, alacsony szivárgó áram, magas hordozó mobilitás és jobb hőstabilitás. Ezen anyagok a következő generációs eszközökben, például napelemekben, fényérzékelőkben és nagy teljesítményű tranzisztorokban, kulcsfontosságú szerepet játszanak, mivel lehetővé teszik a gyorsabb és hatékonyabb működést, miközben csökkentik az eszközök méretét és növelik az eszközök teljesítményét.

Miért hasznosak a kétdimenziós félvezető anyagok az elektrokémiai érzékelésben?

A kétdimenziós (2D) félvezető anyagok kiemelkedő előnyöket kínálnak a hagyományos nanomateriálokkal szemben, különösen az elektromos töltések kinetikájának javításában. Alapvetően lehetőség nyílik a rétegek számának vagy azok szinergikus kombinációinak precíz irányítására, amelyek révén a sávrés (band gap) vagy annak helyzete, valamint a fényelnyelés tulajdonságai is szabályozhatóak. Ezen túlmenően a 2D félvezetők rendkívül vékony struktúrája lehetővé teszi a töltéshordozók migrációs távolságának minimalizálását, ami jelentősen csökkenti a töltéshordozók rekombinációját. Ez különösen előnyös olyan rendszerekben, ahol gyors elektromos válaszra van szükség. A nagy specifikus felület pedig biztosítja a reaktánsok hatékony adszorpcióját, tovább növelve a reakciók hatékonyságát.

Ezen anyagok alkalmazásával a nagyobb elektrod-elektrolit érintkezési felület révén serkenthető az interfész töltéshordozó átadása, gyorsítva ezzel az elektrokémiai folyamatokat. A legtöbb aktív hely a felületen található, és aktívan részt vesz a fotokatalitikus folyamatokban. Az ilyen 2D félvezetők fotokonverziós hatékonysága tovább javítható a fejlettebb szerkezeti mérnöki, energiasáv mérnöki és felületi mérnöki technikák alkalmazásával.

Például Li és munkatársai sikeresen szintetizáltak egy 2D grafén-analóg szén-nitridet (GA-C3N4), amely rendkívül vékony, 6-9 atomi vastagságú rétegekből áll, és amely alkalmas a Cu2+ fotokémiai érzékelésére. A GA-C3N4 nanoszórólapok felületén kialakított Schottky heterostruktúra elősegíti a töltés szétválasztását, mivel a Cu2+ folyamatos redukciója Cu-ra zajlik. A Cu2+ mint elektronakceptor hozzáadása erőteljes fotokurrens választ eredményez, amely közvetlenül összefügg a Cu2+ koncentráció növekedésével. Ezen kívül Li és munkatársai egy új MoS2/C3N4 kompozit anyagot is szintetizáltak, amely a vízben található nyomnyi Cu2+ ionok szelektív detektálására is alkalmas.

A kétdimenziós félvezető kompozitok jelentős előnyöket kínálnak a fotokémiai érzékelés terén, különösen a nehézfém ionok érzékelésére. Ezek a materiálok magas szelektivitással és nagy felületi aktivitással rendelkeznek, így ígéretes megoldásokat kínálnak analitikai és érzékelési alkalmazásokban. A nagy felületi terület és az elektron-héj pár szétválasztásának hatékonysága lehetővé teszi a különböző kis molekulák érzékelésének fejlesztését is. Luo és munkatársai sikeresen alkalmaztak egy nanoMoS2-modifikált arany elektródot a dopamin érzékelésére, amely jelentős fotokurrens növekedést eredményezett.

A 2D félvezetők további előnye, hogy képesek a szignifikáns fotokémiai választ generálni kis koncentrációjú vegyületek, például a metionin és a tetraciklin számára. Zhang és munkatársai g-C3N4 és CdS kvantumpontok kombinálásával egy olyan fejlett érzékelőt készítettek, amely kiváló érzékenységet és lineáris választ mutatott a tetraciklin koncentrációjával összefüggésben. Ezen anyagok alkalmazása nem csupán a fotokémiai érzékelést teszi lehetővé, hanem számos más alkalmazási területet is megnyit, például az orvosi diagnosztika és környezetvédelmi monitorozás területén.

A 2D félvezetők kiváló fotokémiai tulajdonságai és különleges struktúrái nemcsak az érzékelők hatékonyságát növelhetik, hanem számos ipari és tudományos alkalmazásban is előnyösek lehetnek. Ezek az anyagok rendkívül vékonyak, ugyanakkor nagy stabilitással és gyors elektronmobilitással rendelkeznek. A jövőbeli fejlődés során a 2D fotokémiai anyagok további kutatásokat igényelnek annak érdekében, hogy teljes mértékben kihasználják a fotokémiai érzékelőkben rejlő lehetőségeket.

A kétdimenziós félvezető anyagokkal kapcsolatos kutatás egyik kulcsa a felületi aktív helyek kiaknázása és az elektron-héj pár szétválasztásának optimalizálása. Az ilyen anyagok szintetizálásához szükséges precíz mérnöki megközelítések tovább javíthatják az érzékelők működését, és lehetőséget adnak arra, hogy még alacsonyabb koncentrációjú anyagokat is érzékeljünk. Ezen anyagok jövőbeli fejlesztése és alkalmazása nemcsak a tudományos közösség számára, hanem ipari és gyakorlati szempontból is fontos.

Hogyan formálják át a jövőbeli chipgyártást a 2D félvezető anyagok?

A 2 nm-es technológiai csomópont jellemzőit a Microwind oktatóeszközzel vizsgálták, amely lehetővé tette a nanosheet (NS) FET-ek alkalmazhatóságának elemzését eltemetett táplálórácsokkal (BPR) és az átvezetett szilíciumviaszokkal (TSV). Az EUV (extrém ultraibolya) litográfia kulcsfontosságú szerepet fog játszani a 2 nm alatti technológia fejlesztésében. Az EUV litográfia rendkívül rövid hullámhosszú fényt (10-30 nm) használ arra, hogy rendkívül kisméretű struktúrákat vésetjenek a félvezető lapkákra, lehetővé téve a 2 nm alatti struktúrák létrehozását. A legfejlettebb elektronnyaláb-litográfiai rendszerek 1 nm-es helyi méretet is elérhetnek, sőt az Angström skáláig is képesek.

A következő mérföldkő az 1 nm-es és az alatti technológia, amely a tranzisztorok új architektúráit, különösen a rétegzett vagy 2D félvezető anyagokkal készült csatornákat, köztük a MoS2-t tartalmazó átmeneti fém-dikalcogenidekat (TMDC), vonzza. A 2D anyagok használata páratlan növekedést eredményez az integrációs sűrűségben, lehetővé téve az 1 nm-es, sőt annál kisebb technológiák alkalmazását. Az IMEC a 2022 májusi Future Summit rendezvényén bemutatta a szub-1 nm-es technológiai folyamatot és tranzisztorúti tervét, amelyet az iparági óriások, mint az Intel, ASML, TSMC és Samsung együttműködésében dolgoztak ki.

A legújabb EUV eszközzel, amelynek 0,33 nm-es numerikus apertúrája (NA) volt, a tranzisztorok sűrűsége körülbelül 500 MTr/mm2-ről 1000 MTr/mm2-re emelkedhet. A várakozások szerint a szilíciumot felváltják az atomvastagságú új anyagok és a 2D atomcsatornák, amelyek robusztus elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. A GAA/nanosheet FET-ek átalakulása atomcsatornás CFET-ekké lehetővé teszi a csomópontok csökkentését az 5 nm-ről 1 nm alá. Az új rendszertervezési metodológiák, mint a rendszertechnológia kooptimalizálása, a hátsó tápellátó hálózat és a CMOS 2.0 3D chiptervezés, fontos szerepet játszanak a chipek teljesítményének és sűrűségének növelésében.

A 2D félvezető anyagok olyan rétegzett anyagok, amelyek egyetlen atom vastagságú rétegben is növeszthetők, mint a grafén. Ezek a 2D félvezetők rugalmasak és átlátszóak, emellett alacsony fogyasztás mellett magas mobilitással rendelkeznek, ami kiváló jelölté teszi őket a nagy teljesítményű, ultravékony eszközök heteroszerkezeteként, amelyek lehetővé teszik az elektronikus eszközök integrálását egyetlen lapkára vagy chipre. Az egyik legnagyobb előnye, hogy a 2D anyagok alkalmazásával növelhető az eszközök miniaturizálása, miközben a jövőbeli chipek jellemző mérete elérheti az 1 nm alatti határt. A legfejlettebb kutatások azt mutatják, hogy a MoS2 alapú tranzisztorok a csatornák vastagságát 0,65 nm-re csökkentették, és ezek a tranzisztorok akár 1 nm alatti működési jellemzőket is elérhetnek.

Moore törvényét továbbra is ki lehet terjeszteni, sőt a beyond-Moore heterogén integráció révén új lehetőségek nyílnak meg. Az atom vékony, 2D félvezető csatornákkal, grafén interkonnexekkel és gondosan megtervezett elektrostatikai tulajdonságokkal rendelkező háromdimenziós integrált áramkörök (3D-IC) lehetővé teszik az agresszívabb skálázást. A szilíciumviasz alapú 3D integrációval szemben tízszeresére nőhet az integrációs sűrűség, a hagyományos monolitikus 3D integrációhoz képest pedig 150%-os sűrűségjavulás érhető el. A megfelelő alacsony dielektrikus állandójú interrétegek alkalmazásával még tovább javítható a sűrűség.

A 2D félvezető anyagok körében számos különböző típus létezik, melyek fémes, félvezető és szigetelő viselkedést mutathatnak. A legfontosabb 2D SCM-ek a következő csoportokba sorolhatók a kémiai összetevőik szerint: elemi félvezetők, monokalchogenidek, dikalcogenidek, trikalchogenidek, foszfidok, jodidok, arzénidok és oxigénvegyületek. A CVD és MOCVD a legelterjedtebb szintetikus módszerek, amelyek lehetővé teszik a monomolekuláris rétegek növesztését kiváló kristályminőségben. A legtöbb 2D félvezető anyagnak 1–2,5 eV közötti energiasávja van, és monorétegekben az energiasáv közvetlenre változik, ami a tulajdonságaikban, például a kapcsolási arányokban, a hordozó mobilitásában és az elektronikus tömegben is jelentős hatást gyakorol.

A n-típusú 2D félvezetők közé tartozik például a MoS2, MoTe2, InSe, SnS2, Bi2O2Se és mások. A n-típusú viselkedés alapja a Fermi-szint rögzítése a vezetési sávhoz közeli szinten, amelyet szerkezeti hibák, például kénhiány vagy szennyeződések okoznak. A p-típusú 2D félvezetők közé tartozik a fekete foszfor, amely kiváló hordozó mobilitással rendelkezik, de érzékeny a környezeti tényezőkre, például oxigénre és páratartalomra. Az ambipoláris SCM-ek olyan anyagok, amelyek mindkét típusú hordozóval (elektronok és lyukak) rendelkeznek, és a viselkedésük a kapuvezérlés vagy elektrostatikai mező segítségével módosítható.

A jövőbeli chipgyártás alapja a 2D félvezető anyagok, amelyek lehetővé teszik a további miniaturizálást, a jobb teljesítményt és a magasabb integrációs sűrűséget. Ahogy a technológia fejlődik, egyre több lehetőség kínálkozik az anyagok és a gyártási technológiák fejlesztésére, hogy megfeleljenek a jövő elvárásainak. Az új fejlesztések lehetővé teszik a különféle félvezető anyagok integrációját, amelyek a miniatürizált eszközök és chipek számára jobb működést és magasabb sűrűséget kínálnak, és a következő generációs elektronikus eszközök alapjául szolgálnak.

Hogyan szervezzük meg érveinket és ütköztessük őket hatékonyan?
Hogyan működnek és milyen előnyökkel járnak a hibrid levegőmotorok a fenntartható közlekedésben?
Miért és hogyan omlott össze Trump körüli populista mozgalom?
Hogyan csökkenthetjük a víz- és energiafogyasztást otthonunkban?