A két dimenziós (2D) fém chalcogenidok kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek különösen ígéretesek az optoelektronikai eszközök, például fényérzékelők, fénykibocsátó diódák (LED-ek) és napelemek alkalmazásában. Ezek a nanomateriálok, amelyek közé tartoznak a molibdén-diszulfid (MoS2) és wolfram-diszulfid (WS2) típusú fém-chalcogenidek, képesek hatékonyan abszorbeálni és kibocsátani fényt, aminek következtében rendkívül energiahatékony eszközök jönnek létre. Ezen kívül a 2D fém chalcogenidok rugalmassága és magas mechanikai szilárdsága különösen fontos a rugalmas és hordható elektronikai alkalmazások számára, mivel hagyományos anyagokkal nem lenne lehetséges ilyen típusú eszközök előállítása.

A 2D fém chalcogenidek könnyen szintetizálhatóak különböző módszerekkel, mint például kémiai gőz-depozícióval, folyadék-fázisú lehúzással és mechanikai hámlasztással. Ezen anyagok stabilitása, magas hordozómobilitása, hatékony fényabszorpciója és kvantum szilárd elkülönítése hozzájárul a modern elektronikai eszközök energiahatékonyságának növeléséhez. Ez különösen fontos, mivel a globális energiafelhasználás fenntarthatóbbá tételéhez elengedhetetlenek az alacsony energiafogyasztású, de magas teljesítményű eszközök.

A két dimenziós fém chalcogenidok alkalmazásának egyik legígéretesebb területe a fotovoltaikus rendszerek, vagyis a napelemek fejlesztése. A napenergia napjainkban az egyik legfontosabb megújuló energiaforrássá vált, különösen a globális energiaigények növekedése és a klímaváltozás elleni küzdelem szempontjából. A napelemek a napfény energiáját alakítják át elektromos energiává, és létfontosságú szerepet játszanak az energia infrastruktúrák dekarbonizálásában, a szén-dioxid kibocsátás csökkentésében és a fenntartható energiatermelés elősegítésében.

A fotovoltaikus (PV) rendszerek első generációja monokristályos szilíciumot és gallium-arzenidot tartalmazott, amelyeket a hatékonyság növelése érdekében tovább fejlesztettek. Ezen anyagok hatékonysága 15-24% között mozgott, míg az élettartamuk 25 évre tehető. Azonban számos hátrány is társul ezzel a technológiával, többek között a magas gyártási költségek, a hőmérsékleti ingadozásokkal szembeni érzékenység és az anyagok fényabszorpciós problémái. A következő generációs technológiák, mint például a vékony film alapú napelemek, amelyek mikrokrisztályos és amorf szilíciumot, valamint réz-indium-gallium-szelenidet (CIGS) alkalmaznak, már magasabb hatékonyságot mutatnak, de a költségek továbbra is problémát jelenthetnek.

A harmadik generációs napelemek, amelyek nanokristályos filmeket, kvantumpontokat, színezett érzékenyített és szerves polimerekből készült napelemeket tartalmaznak, tovább növelhetik a hatékonyságot. Azonban ezek a technológiák még mindig nem érték el azt a szintet, amely szükséges lenne a globális alkalmazásokhoz. A legújabb, negyedik generációs napelemek, amelyek alacsony költségű és nagy szilárdságú szerves-inorganikus hibrid nanostruktúrákat alkalmaznak, mint például a grafén, a szén nanocsövek és a grafén származékok, az iparág jövőjének ígéretes megoldásait jelenthetik.

A fém chalcogenid anyagok, különösen a 2D típusok, különösen alkalmasak a napelemes alkalmazások fejlesztésére. Az egyik legnagyobb előnyük a szűkebb sávgap (bandgap) lehetőség, amely lehetővé teszi számukra, hogy az abszorpció hatékonyabb legyen a napfényben, különösen a közeli infravörös (NIR) tartományban, amely a Föld felszínét elérő sugárzás jelentős részét képezi. A 2D chalcogenidok ezen kívül lehetőséget adnak arra, hogy a fotovoltaikus rendszerek hatékonyságát növeljük, hiszen a sávgép mérnöki módosításával, a felületi terület növelésével és a hordozó mobilitásának javításával jelentős előrelépés érhető el.

A közelmúltban végzett kutatások eredményeként a napelemek hatékonysága 44,7%-ra emelkedett, amely rekordot jelent a területen. A várakozások szerint a napelemek előállítási költségei csökkenni fognak, ami növeli azok piaci részesedését a globális villamosenergia-piacon. A fotovoltaikus iparág, amely jelenleg évi 100 milliárd dollárra tehető, az új piacok és alkalmazási területek fejlődésével várhatóan jelentős növekedést fog tapasztalni.

A 2D fém chalcogenidek alkalmazása nemcsak az energiahatékonyság növelésére alkalmas, hanem hozzájárul a jövő energiatároló és -átalakító rendszereinek fenntarthatóságához és gazdaságos megoldásaihoz. A fejlődés és az új technológiák gyors ütemű alkalmazása pedig lehetővé teszi, hogy egyre inkább megfizethető és praktikus megoldásokat kínáljon a napenergia globális kihívásaira.

Hogyan befolyásolja a grafén rétegzett struktúrája az elektronikus tulajdonságokat?

A grafén rendkívül érdekes anyag, amely az egyik legfontosabb 2D (kétdimenziós) anyagnak számít a nanotechnológia és az elektronikai eszközök fejlesztésében. Azonban a grafén sajátos tulajdonsága, hogy nincs érdemi sávtávolsága, jelentősen korlátozza alkalmazhatóságát az elektronikában, mivel az nem képes szabályozott áramlást biztosítani a töltéssebesség szabályozása nélkül. A grafén bandgap nélküli jellege tehát nehezíti az elektronikus komponensek, mint tranzisztorok, elkészítését.

A grafén rétegzett struktúrával történő módosítása azonban új lehetőségeket kínál. Például a grafén két rétegének függőleges elektromos mező alatti elrendezése (grafén bilayer) képes megnyitni egy sávtávolságot, így lehetővé téve az anyag elektronszerkezeti módosítását. Ez a módszer a sávtávolság dinamikus szabályozásának előnyét kínálja. Ezt a tulajdonságot más kétdimenziós anyagok, például a hexagonális bor-nitrid (hBN) vagy a tranzíciós fém-dikalcogénidek (TMDC) alkalmazása is erősítheti, amikor ezeket rétegezik egymásra meghatározott orientációval és elrendezéssel.

A rétegezett struktúrákban a Van der Waals-erejű kötéseket találunk, melyek gyengék, mégis elégségesek ahhoz, hogy stabilizálják a rétegeket. Az ilyen típusú kötődés lehetővé teszi, hogy különböző kétdimenziós anyagok rétegei egymásra épüljenek, új típusú elektronikai, optikai és mechanikai tulajdonságokat eredményezve. Az elrendezésük, tehát az egyes rétegek relatív orientációja és szögbeli elhelyezkedése alapvetően befolyásolja a létrejövő anyagok tulajdonságait.

A grafén két alapvető elrendezési formája az AA- és AB-rétegzés, amelyek a különböző típusú kétdimenziós anyagok, például grafén esetében különböző elektronikus struktúrákat hoznak létre. Az AA-rétegzés azt jelenti, hogy az egyes rétegek atomjai közvetlenül egymás fölé kerülnek, míg az AB-rétegzés esetében az atomok eltolódnak, így egy másik elrendezést eredményezve. Az AB-rétegzésnél gyakran különleges minta is kialakul, úgynevezett moiré mintázatok, amelyek fontos hatással vannak az anyag elektronikus tulajdonságaira.

A grafén bilayer (BLG) három fő típusra osztható: AA-rétegezett BLG, AB-rétegezett BLG és csavart BLG. Az AA-rétegezett BLG egyszerűbb, és a rétegek közötti távolság körülbelül 3,6 Å. Az AB-rétegezett BLG-ben a rétegek eltérő módon helyezkednek el, és az atomok fele közvetlenül az atomokra kerül, míg a másik felük a hexagonális rács közepén helyezkedik el. Az AB-rétegezett BLG stabilabb, mint az AA-rétegezett forma, és az alkalmazott elektromos mezővel módosítható a sávtávolság, ami nagy előnyt jelenthet az elektronikai alkalmazásokban.

A BLG mágikus szögben történő csavarással, más néven mágikus szögű csavart grafén (twisted BLG) egy új elektronikai állapotot is eredményezhet. Az ilyen struktúrák, mivel az egyes rétegek elhelyezkedése szögben eltolódik, egészen újfajta elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, és egyes kutatók szerint akár szupervezető tulajdonságokat is mutathatnak.

A vertikális és laterális rétegezési hatások a kétdimenziós félvezetőkben különböző konfigurációkban jelentkezhetnek: heteroszerkezetekben és homoszerkezetekben. A heteroszerkezetek különböző típusú 2D félvezetők rétegzését jelentik, amelyek különböző elektronikus tulajdonságokkal és sávtávolságokkal rendelkeznek. Az ilyen rétegezés lehetőséget ad arra, hogy egyedi sáv-összhangokat és funkciókat hozzunk létre, amelyeket az egyes rétegek önállóan nem képesek biztosítani.

Az AB-rétegezett BLG alkalmazása különösen ígéretes, mivel az elektromos mező hatására a sávtávolság dinamikusan változtatható, miközben a rétegek szimmetriája megszakad. Ez az alapvető mechanizmus lehetővé teszi a BLG sávtávolságának finomhangolását, amely nélkülözhetetlen a jövőbeli elektronikai eszközök fejlesztéséhez.

A grafén rétegzett struktúrájának vizsgálata, különösen a mágikus szögű csavart BLG vagy az AB-rétegezett BLG, tehát olyan lehetőségeket kínál, amelyek radikálisan új elektronikai és optikai funkciókat eredményezhetnek, amelyek alkalmazása az eszközök fejlesztésére alapozva a következő generációs tranzisztorok, érzékelők és memória eszközök alapját képezhetik.

Hogyan alakítják át a 2D félvezető anyagok a memrisztorok világát?

A memrisztorok a jövő elektronikai eszközeiként egyre nagyobb figyelmet kapnak, különösen a nem-volatile memória (NVM) technológiák fejlődésében. A hagyományos CMOS alapú memóriák teljesítményhatárai egyre inkább elérik a végüket, miközben a kutatók az alternatív megoldások, például a mágneses memóriák és a fázisváltozó memóriák (PCM) irányába fordulnak. Ezen új technológiák között kiemelkedő szerepet kapnak a memrisztorok, amelyek figyelemre méltó teljesítményt nyújtanak tárolási sűrűségben, energiafogyasztásban, olvasási/írási sebességben, törlési időben és adatmegőrzésben.

A memrisztorok egyik legnagyobb előnye a könnyű gyártás és méretezhetőség, mivel szerkezetük egyszerű, „szendvics” típusú felépítéssel rendelkezik. Ez lehetővé teszi számukra, hogy ideális jelöltek legyenek a következő generációs elektronikai eszközök számára, különösen a memóriák, logikai műveletek és neuromorfikus számítások területén. A memrisztorok tehát nemcsak adat tárolására alkalmasak, hanem non-volatile logikai műveletek végrehajtására is, amelyek képesek megoldani a von Neumann-szűk keresztmetszetet, azaz a számítási és tárolási funkciók szétválasztásának problémáját a hagyományos számítógépes architektúrákban.

Az alapvető definíció szerint a memrisztorok minden két terminálú NVM eszközként értelmezhetők, amelyek ellenállásváltásos mechanizmusokon alapulnak, függetlenül az eszközkészítés anyagaitól és az alkalmazott működési mechanizmusoktól. A memrisztorok egyik jellegzetes I-V görbéje, a „csípett hiszterézis” jellegzetességgel rendelkezik, amely azt jelzi, hogy az ellenállás két állapot között váltakozik, magas és alacsony ellenállású (HRS és LRS) állapotok között, ha megfelelő feszültséget alkalmaznak a felső és alsó elektródák között.

A hagyományos memrisztorok leginkább fémezetlen oxiddal (MO) borított szerkezeteket alkalmaztak, mint például TiOx, HfOx, AlOx és TaOx. Azonban a fémoxid alapú memrisztorok teljesítménye korlátozott, mivel az oxiddal bevont rétegek nem elég stabilak, és a háromdimenziós (3D) struktúrák méretezhetősége is problémás. Ezen problémákra válaszul az elmúlt években egyre inkább két dimenziós (2D) anyagokat kezdtek alkalmazni a memrisztorok aktív rétegeiként. A 2D anyagok kiemelkedő elektromos, optikai, mechanikai és hővezetési tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy komoly előnyökkel bírjanak az új generációs eszközök alkalmazásában.

A 2D anyagok, mint például a MoS2, h-BN és azok monomolekuláris rétegei, szinte minden esetben jobban stabilizálják a rezisztív váltásokat (RS), mint a hagyományos fémoxid alapú memrisztorok. Az ilyen típusú memrisztorok stabilitása azért kiemelkedő, mert a hagyományos eszközökben a vékony oxid rétegek nem homogének, és számos véletlenszerű hiba tönkreteszi a váltás állandóságát, miközben nagy szivárgó áramok és kicsi váltási ablakok léphetnek fel. A 2D memrisztorok ezen problémák elkerülésével biztosítanak magasabb megbízhatóságot.

A 2D félvezető anyagok, mint a MoS2, h-BN és SnS, figyelemre méltó I-V jellemzőkkel rendelkeznek. Egy tipikus példában, mint például az Ag/MoS2/Ag kapcsoló, az I-V görbe jól illusztrálja a 2D anyagok rendkívüli rezisztív váltási tulajdonságait, amelyek stabilitása és erősebb on/off arányai (például egy 2D SnS alapú memrisztor esetén 10^8) messze meghaladják a hagyományos 3D memrisztorokét. Ez azt jelenti, hogy a jövőben a 2D anyagok kulcsszerepet játszanak az új generációs memrisztorok fejlesztésében és alkalmazásában, akár memória tároló eszközként, akár logikai műveletekhez.

Fontos figyelembe venni, hogy a 2D alapú memrisztorok nemcsak a hagyományos alkalmazásokban ígéretesek, hanem új területeken is használhatóak, mint például a neuromorfikus számítások, amelyek célja az emberi agy működésének szimulálása. A memrisztorok, mint a biológiai szinapszisok szimulálói, alacsony energiafogyasztással és nagy integrálhatósággal rendelkeznek, lehetővé téve a nagy léptékű, intelligens rendszerek fejlesztését.

A 2D anyagok alkalmazása az új memrisztorokban nemcsak a memóriaeszközök, hanem az elektronikai eszközök egészének fejlődését is előmozdíthatja, különösen azokat, amelyek az energiahatékonyságra, gyors válaszidőre és skálázhatóságra építenek. A következő lépés az ilyen eszközök további optimalizálása és a gyártási folyamatok továbbfejlesztése, hogy teljes mértékben kiaknázhassák a 2D anyagok előnyeit az elektronikai iparban.

Miért fontos az önazonosság keresése és hogyan hat ez életünkre?
Hogyan rendszerezzük Agatha Christie novelláit és miért fontos a megértésük?
Hogyan befolyásolják a vásárlói útvonalak és ajánlások a vásárlói döntéseket?