A TMDC anyagok specifikus kombinációja jelentős hatással van a heterojunkciók elektronikai tulajdonságaira. Az ilyen típusú heterojunkciókban a sáveltolódás lehet I. típusú vagy II. típusú, ami befolyásolja az elektronok és a lyukak eloszlását. Az interfész állapotok, amelyek a rácshibák vagy töltésátadási hatások eredményeként jönnek létre, jelentősen befolyásolják a töltéshordozók dinamikáját. A TMDC heterojunkciók lehetőséget adnak arra, hogy a hatékony sávréset különböző sávrésű anyagok kombinálásával szabályozzuk, ami számos alkalmazás, például a fotovoltaikus rendszerek fejlesztése szempontjából fontos. A töltéshordozók zárása által létrejövő kvantumos korlátozási hatások módosítják a sávstruktúrát, és javítják az optikai és elektromos tulajdonságokat.

A sávstruktúra azonban nemcsak az anyag típusától függ, hanem az anyagok egymáshoz viszonyított elrendezésétől és az interléciós interakcióktól vagy hibáktól is. A heterojunkciók részletes megértése érdekében a kutatók elméleti modellezést és kísérleti technikákat alkalmaznak, mint például spektroszkópiás méréseket és szállítási vizsgálatokat. A grafén alapú heterojunkciók, mint például a grafén–MoS2, grafén–WS2, vagy grafén–BP kombinációk, ötvözik a grafén és az adott 2D anyagok egyedi tulajdonságait, amelyek érdekes sávstruktúrákhoz vezetnek. A grafén, amelynek lineáris diszperziós kapcsolata van a Fermi szint körül és magas töltéshordozó mobilitással rendelkezik, egy Dirac-kúp szerkezetet alkot töltésmentes Dirac fermionokkal.

A grafén és a másik 2D anyag közötti sávillesztés alapvető szerepet játszik az elektronikai tulajdonságok meghatározásában, és lehet I. típusú vagy II. típusú. Bár a grafén nem rendelkezik belső energia sávval, amikor más 2D anyagokkal kombinálják, a keletkező heterojunkciók módosított sávrést mutatnak, lehetővé téve az elektromos vezetőképesség és optoelektronikai tulajdonságok szabályozását. A két anyag közötti interfész új interfész állapotokat eredményez, amelyek jelentős hatással vannak a töltés szállításra és az eszköz teljesítményére. A heterojunkciók kvantumos korlátozási hatásokat indukálnak a 2D anyagban, amelyek javítják az optikai abszorpciót és a töltéshordozók mobilitását. A kutatók aktívan dolgoznak grafén alapú heterojunkciók mérnöki fejlesztésén, hogy olyan eszközöket hozzanak létre, amelyek az elektronikai, optikai és energiatároló alkalmazások számára személyre szabott tulajdonságokkal rendelkeznek.

A MXene alapú heteroszerkezetek az MXene rétegek más 2D anyagokkal, például grafénnel, TMDC-kel vagy BN-nel történő halmozásával vagy integrálásával jönnek létre. Az MXene és a másik 2D anyag közötti sávillesztés alapvető fontosságú az elektronikai tulajdonságok, a töltés átadás és az eszköz teljesítményének meghatározásában. Az MXene alapú heteroszerkezetek módosított sávréseket mutathatnak, amelyek lehetővé teszik az elektromos és optikai tulajdonságok szabályozását, ami kulcsfontosságú olyan alkalmazások számára, mint a fotovoltaikus rendszerek és optoelektronikai eszközök. Az MXene-ek fémes vezetőképessége lehetővé teszi a hatékony töltésátvitelt, különösen az energia tárolási alkalmazásokban.

A 2D-SCM anyagok elektrokémiai tulajdonságait gyakran elektroanalitikai technikák segítségével vizsgálják. Ezek az eszközök értékes információkat szolgáltatnak az anyagok töltéstartó viselkedéséről, elektrokémiai kinetikájukról és stabilitásukról. A leggyakrabban alkalmazott elektroanalitikai módszerek közé tartozik a ciklikus voltammetria (CV), a kronoamperometria (CA) és az elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS).

A ciklikus voltammetria során egy potenciált alkalmaznak az anyagon egy meghatározott feszültségtartományban, és a mérési ciklusok során a kapott áramválaszot rögzítik. A CV segítségével az anyag redox viselkedése és töltés tárolási kapacitása jól meghatározható. A szimmetrikus anodikus és katódikus csúcsok a reverzibilis redox reakciók jelenlétét jelzik, amelyek hatékony töltés tárolást és felszabadítást eredményeznek, míg az aszimmetrikus csúcsok vagy széles áramválaszok az irreguláris reakciókat és a kapacitás korlátozásokat jelezhetik.

A kronoamperometria technikával folytatott mérések során állandó potenciált alkalmaznak, és az áramválaszt időfüggvényében figyelik. Ez segít a töltés tárolásának és diffúziós folyamatainak tanulmányozásában, és lehetővé teszi a töltéshordozók mozgásának és kinetikájának jobb megértését.

Az elektrokémiai impedancia spektroszkópia egy erőteljes technika, amely lehetővé teszi a 2D-SCM anyagok elektromos tulajdonságainak és töltésátadási kinetikájának vizsgálatát különböző frekvenciatartományokban. Az EIS segítségével az anyagok belső ellenállásait és a töltés transzfer mechanizmusait is megérthetjük.

Fontos megjegyezni, hogy a különböző elektroanalitikai eszközök alkalmazása kiegészíti egymást, és együtt hozzájárulnak a 2D-SCM anyagok optimális teljesítményének meghatározásához az energia tárolásban és más alkalmazásokban. Mivel a töltéshordozók mobilitása és a sávstrukturális jellemzők alapvetően meghatározzák az anyagok teljesítményét, az ilyen típusú vizsgálatok elengedhetetlenek a jövőbeli fejlesztésekhez.

Hogyan alkalmazhatók a kétdimenziós félvezetők a vízbontásos hidrogéntermelésben?

A globális energiaigények növekedése folyamatosan ösztönözte a kutatásokat az energiaelőállítás új, fenntartható módszereinek felfedezésére, amelyek nem bocsátanak ki káros anyagokat, vagy amelyek képesek megszüntetni az üvegházhatású gázok kibocsátását. A hidrogén az egyik legígéretesebb alternatív energiaforrás, amely látható fény hatására vízbontásos reakcióval előállítható. A vízbontás hatékony technikát jelent, amely nem termel semmilyen más káros mellékterméket, és az energia, amely szükséges a vízmolekula bontásához, +1,23 eV. A félvezető fénykatalizátorok hatalmas potenciált képviselnek a megújuló hidrogéntermelés területén, mivel képesek kihasználni a napfény és a víz bőséges erőforrásait.

A fénykatalitikus vízbontás két jól elkülöníthető félreakcióra oszlik: az egyik a H2O foto-oxidációja, a másik pedig a H+ redukciója, végül pedig a hidrogén (H2) képződése. A 2D réteges anyagok fénykatalitikus mechanizmusa az, hogy a fény elnyelődik az anyag felületén, amelynek fotonenergiája meghaladja az anyag sávrésének energiáját. A fotonok elnyelése során elektron–lyuk párok keletkeznek, amelyek gyorsan szétválnak az anyag felületén, köszönhetően annak réteges szerkezetének. Az elektronok a vezetési sávba (CB) vándorolnak, míg a lyukak a valencia sávban (VB) maradnak. Az elektronok részt vesznek a vízmolekulák redukciójában, amely H+ ionokká és végül molekuláris hidrogénné alakul. A vízbontás hatékonyságához ideális fénykatalizátornak kell rendelkeznie bizonyos alapvető tulajdonságokkal. A vezetési sáv és a valencia sáv közötti energia résnek meghaladnia kell az 1,23 eV-ot. Ezen kívül a vezetési sáv potenciáljának negatívabbnak kell lennie, mint a H+/H2 redoxpár potenciálja, míg a valencia sávnak pozitívabb potenciált kell mutatnia, mint az O2/H2O vs. RHE redoxpár.

A kétdimenziós (2D) anyagok a fénykatalitikus hidrogéntermelés terén az utóbbi években jelentős figyelmet kaptak, köszönhetően különleges tulajdonságaiknak, amelyek közé tartozik a nagy felület, a hatékony fényelnyelés, az elektronok szétválasztása, a katalitikus aktív helyek jelenléte, a sávrés tisztíthatósága, az anyagok stabilitása, az érdemi kvantumkonfinálás hatása, valamint a tervezési rugalmasság és az ipari alkalmazásokhoz szükséges skálázhatóság. Az 2D anyagok további előnye, hogy erős kovalens kötések jellemzik őket, amelyek elősegítik az in-plan irányú heterojunkciók és heteroszerkezetek kialakulását. Az egyik legismertebb 2D anyag a grafén, amely kivételes elektronikai, mechanikai és optikai tulajdonságokkal rendelkezik. A grafén felfedezése igazi paradigmaváltást eredményezett, és új kutatási területeket nyitott meg a hasonló architektúrák vizsgálata előtt.

A 2D tranziciós fém-diszulfidok (TMD-k) is kiemelt szerepet kaptak a kutatásban. Ezek az anyagok fématomok (M) rétegei, amelyek két kénatom réteg között helyezkednek el, és az MX2 kémiai képlettel ábrázolhatók. A TMD-ket a rétegek közötti kovalens kötések egyesítése jellemzi, amelyeket elsősorban van der Waals erők tartanak össze, és így 3D kristályos struktúrákat alakítanak ki. Ezen katalizátorok mellett más anyagok is kifejlesztésre kerültek, mint például a grafén-szerű szén-nitrid (g-C3N4), a réteges kétszintű hidroxidok (LDH), a perovszkitek, az MXenek és a fém-oxidok. A MoS2 esetében a rétegszám csökkentésével a rétegstruktúrák közvetlen sávrészeket eredményeznek, amelyek növelik az anyagok hatékonyságát. A grafén-szerű szén-nitrid (g-C3N4) egy másik konjugált félvezető, amely szén- és nitrogénatomok síkban elrendezett struktúráival van jelen.

A grafén elektronikus tulajdonságai is fontos szerepet kapnak a félvezető anyagokkal való interakcióban. A grafén a félvezető anyagokkal való érintkezéskor elektronakceptorként, elektrontranszporterként és médiatorként funkcionál. Az 2D szerkezetek beépítése a fotokatalizátorokba lehetővé teszi az elektronok–lyukak delokalizációját és a gyors elektrontranszfert, elősegítve ezzel a vízbontás folyamatát. A kétdimenziós anyagok egyik fő előnye, hogy az elektronok hosszabb utat tesznek meg, mivel a töltéssel rendelkező részecskék elválása nehezebbé válik, ami csökkenti a töltéssel kapcsolatos újrakombinálódást és növeli az áramkör hatékonyságát.

A kutatások folytatása rendkívül fontos a 2D alapú fotokatalizátorok hatékonyságának javítása érdekében, hiszen e technológia még fejlesztés alatt áll, és jelentős előrelépés szükséges a fenntartható hidrogéngazdaság gyakorlati alkalmazásaihoz.

Hogyan járulnak hozzá a két dimenziós félvezetők az érzékelők gyors reakcióidejéhez és érzékenységéhez?

A két dimenziós félvezetők (2D SCM-ek) kulcsszerepet játszanak az érzékelők érzékenységében és gyors válaszidőjében. A 2D struktúrák vékony rétegei, amelyek gyakran csak egy atom vastagságúak, elősegítik a gyors gázdiffúziót, csökkentve ezzel a helyreállítási időt, ami az érzékelő teljesítményének gyorsaságát növeli. A kutatások az utóbbi években az ilyen anyagok alkalmazására összpontosítottak, különösen gázérzékelőkben, és ezen anyagok tervezésére, szintézisére, valamint az alapvető gázszenzor mechanizmusok megértésére.

A 2D félvezető anyagok tipikus példái közé tartoznak a grafén, a molibdén-diszulfid (MoS2) és a szelén-diszulfid, amelyek mindegyike csökkentett dimenzionalitással rendelkezik, azaz atomról atomra épülő, lapos struktúrák alkotják őket. Ezek az anyagok rendkívüli érzékenységgel rendelkeznek, és képesek detektálni a gázokat szobahőmérsékleten, különböző környezeti feltételek mellett, és képesek gyors reakcióval reagálni a gázok jelenlétére.

A 2D SCM-ek előállítására különféle módszereket dolgoztak ki, például mechanikai exfoliációval, kémiai gőzfázis-depozícióval (CVD), atomi réteg-depozícióval (ALD), elektron-beam párolgással, valamint oldatos kémiai szintézissel. A mechanikai exfoliáció eljárás a legelterjedtebb módszer, amely során több rétegből álló anyagokat vékony, egy rétegből álló lemezekre választanak szét.

A kémiai gőzfázis-depozíció (CVD) a másik, széleskörűen alkalmazott technika a 2D SCM-ek előállításában. Az ilyen eljárások biztosítják a gyors növekedést és az anyagok kiváló minőségét, miközben a legnagyobb pontossággal lehet szabályozni az anyagok vastagságát és egyéb tulajdonságait. A CVD alkalmazásával például a grafén és más 2D félvezetők előállítása nagyban hozzájárult a gázérzékelők fejlesztéséhez, mivel ez a módszer lehetővé teszi a széles körben alkalmazott, nagy tömegben gyártott anyagok létrehozását.

Az 2D SCM-ek gázérzékelő alkalmazásainál az érzékelési mechanizmus alapja az, hogy a célgáz molekulák a félvezető anyagok felületére tapadnak, és ennek következményeként elektronátadódás történik. Ez a folyamat egy alapvető reakcióláncot indít el, amely az elektronokat a célgázok molekuláiról a félvezető anyagra irányítja, ezáltal változást idézve elő a szenzor elektromos tulajdonságaiban.

A különböző gázok érzékelésének optimalizálásához elengedhetetlen a 2D SCM-ek anyagi tulajdonságainak tökéletes kontrollálása. A legnagyobb kihívást az jelenti, hogy az érzékelők hatékonyságának növelése érdekében fontos a különböző gázmolekulák felületre történő adszorpciójának mechanizmusát alaposan megérteni. A célgázok molekulái kétféleképpen tapadhatnak a felületre: fizikailag gyenge van der Waals kötések révén, vagy kémiailag erősebb kötések kialakulásával. Az adszorpció típusa meghatározza a gáz érzékelési válaszreakciójának mértékét.

A különböző szintézises eljárások között jelentős különbségek vannak az anyagok előállítási költségei, sebessége és hatékonysága tekintetében. A kémiai gőzfázis-depozíció (CVD) kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, mivel gyorsan képes előállítani magas minőségű anyagokat, ugyanakkor idő- és energiagazdálkodási szempontból is előnyös. Másrészt a nedves kémiai módszerek, amelyek egyszerűen végrehajthatók, alacsony hőmérsékleten működnek, és széles körben alkalmazhatók, szintén fontos szerepet játszanak az ilyen típusú érzékelők fejlesztésében.

Fontos megemlíteni, hogy a különböző gázok érzékelésében a legújabb kutatások folyamatosan finomítják a 2D SCM-ek felhasználási lehetőségeit. A cél nemcsak a gyors válaszidő és a kiváló érzékenység elérése, hanem a lehető legnagyobb selectivitás biztosítása is, vagyis hogy egy adott gázat a lehető legpontosabban tudjanak detektálni, miközben más gázokkal szemben a válasz minimális legyen. Az ilyen szenzorok fejlesztése nagyban hozzájárulhat a különböző iparágakban való alkalmazásukhoz, mint például a környezeti monitoring, egészségügyi diagnosztika, ipari biztonság vagy akár a légszennyezés figyelése.

Milyen egészségügyi eszközök és alapfogalmak segítik a betegellátást a kórházban és az orvosi rendelőben?
Miért és hogyan válhatunk hatékony szószólókká?
Hogyan segíthetik a gépi tanulási eszközök a pénzügyi elméletek felfedezésében?
Hogyan alakulnak át a krimi műfajai? Az adaptációk és a crossoverek hatása
A kelta mítoszok és legendák öröksége: A tudás és a bölcsesség megőrzése