Hoe de opto-elektronische eigenschappen van twee-dimensionale materialen de toekomst van technologie kunnen beïnvloeden

De opkomst van twee-dimensionale (2D) materialen heeft de wereld van elektronica en fotonica ingrijpend veranderd. Deze materialen, die vaak slechts één of enkele atoomlagen dik zijn, bieden unieke elektronische en optische eigenschappen die ver buiten de mogelijkheden van traditionele driedimensionale materialen reiken. Een van de meest beloftevolle groepen 2D-materialen zijn de overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), zoals MoS2, WS2 en WSe2, die opmerkelijke eigenschappen vertonen, zoals sterke fotoluminescentie en uitstekende elektronische mobiliteit.

In de afgelopen jaren heeft de studie van TMD's geleid tot een diepgaand begrip van hun gedrag in opto-elektronische toepassingen. Het gebruik van monolaag TMD’s, zoals MoS2, in transistors is al gedemonstreerd en blijkt een veelbelovende richting te zijn voor het ontwikkelen van energiebesparende en ultrasnelle elektronische apparaten. Door de unieke bandstructuren van deze materialen kunnen ze een efficiënte energieoverdracht en -conversie bieden. Vooral de fotoluminescentie, die typisch wordt geassocieerd met 2D-materialen, maakt ze zeer geschikt voor toepassingen in zonnecellen, lichtemitterende diodes (LED's), en fotodetectoren.

In opto-elektronische toepassingen spelen de bandstructuur en optische eigenschappen van 2D-materialen een cruciale rol. TMD's vertonen bijvoorbeeld een directe bandgap wanneer ze zijn gefabriceerd in monolayervorm, in tegenstelling tot bulkvarianten die een indirecte bandgap vertonen. Dit maakt monolaag MoS2 en vergelijkbare materialen bijzonder efficiënt in fotonische toepassingen, omdat ze directe lichtabsorptie en fotoluminescentie kunnen genereren bij lage spanningen. Dit verschijnsel heeft directe implicaties voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten die minder energie verbruiken en sneller reageren dan hun traditionele tegenhangers.

Daarnaast blijkt uit recente studies dat de mechanische eigenschappen van 2D-materialen, zoals hun elasticiteit en rekbaarheid, ook van belang zijn voor toepassingen in flexibele elektronica. Het gebruik van flexibele UV-fotodetectoren op basis van nanofilms van ZnS-ZnO heterostructuren toont aan hoe deze materialen niet alleen functioneel zijn, maar ook in staat zijn zich aan te passen aan verschillende vormen en oppervlakken. Dit opent de deur naar nieuwe soorten draagbare en draagbare technologieën, evenals naar slimme toepassingen in de geneeskunde en het milieu.

Het is belangrijk te begrijpen dat de fotoluminescentie van TMD's niet alleen van theoretisch belang is, maar ook praktische implicaties heeft. Recent onderzoek heeft aangetoond dat de fotoluminescentie van monolaag MoS2 bijvoorbeeld kan worden gemoduleerd door chemische doping of door het aanbrengen van mechanische spanning, wat de veelzijdigheid van dit materiaal vergroot. Dergelijke technieken kunnen het mogelijk maken om materialen te ontwerpen die reageren op specifieke externe stimuli, wat van cruciaal belang kan zijn voor de ontwikkeling van dynamische opto-elektronische componenten die kunnen worden afgestemd voor specifieke toepassingen in de toekomst.

De studie van 2D-materialen heeft ook de interesse in de thermische eigenschappen van deze materialen aangewakkerd. Het is gebleken dat TMD's, zoals MoS2, een lage thermische geleidbaarheid hebben, wat hen aantrekkelijk maakt voor toepassingen in elektronische apparaten die geen warmte willen uitstralen. Het is echter essentieel om te begrijpen hoe de thermische geleidbaarheid van deze materialen kan worden gemanipuleerd door middel van atomair ontwerp en doping, omdat dit direct invloed heeft op hun prestaties in geavanceerde technologieën, zoals thermisch beheerde elektronische schakelingen.

Om het volledige potentieel van 2D-materialen te benutten, moeten we een dieper inzicht krijgen in de manier waarop verschillende factoren zoals spanning, temperatuur en chemische omgevingen hun prestaties beïnvloeden. Daarbij speelt de gecontroleerde fabricage van heterostructuren een cruciale rol. Dit proces maakt het mogelijk om meerdere lagen van verschillende materialen te combineren om unieke elektronische eigenschappen te bereiken die anders moeilijk te verkrijgen zouden zijn.

De komst van 2D-materialen heeft de traditionele grenzen van elektronica en fotonica doen vervagen. Het is nu van essentieel belang om niet alleen de fundamentele eigenschappen van deze materialen te begrijpen, maar ook de methoden waarmee ze kunnen worden gemanipuleerd en geïntegreerd in nieuwe technologieën. Het vooruitzicht van een nieuwe generatie op basis van 2D-materialen zal mogelijk de efficiëntie en prestaties van een breed scala aan elektronica en opto-elektronische apparaten aanzienlijk verbeteren.

Hoe neuromorfe computersystemen de beperkingen van traditionele architecturen overwinnen

De exponentiële groei van computatiedata, voortgedreven door de vooruitgang in kunstmatige intelligentie, big data, machine learning en het Internet der Dingen, stelt de conventionele rekentechnologie voor aanzienlijke uitdagingen. Deze uitdagingen ontstaan voornamelijk door de fysieke scheiding tussen de verwerkings- en opslagunits, wat de snelheid van lees- en schrijfbewerkingen van data beperkt. Dit heeft als gevolg dat de energieconsumptie aanzienlijk toeneemt. Neuromorfe rekentechnologie is ontstaan als een potentiële oplossing om de beperkingen van de traditionele computermodellen, specifiek de zogenaamde von Neumann-flessenhals, te overwinnen. Dit concept is geïnspireerd door de leer-, geheugen- en informatieverwerkingscapaciteiten van de menselijke hersenen.

De menselijke hersenen hebben een opmerkelijke capaciteit om gelijktijdig enorme hoeveelheden informatie te verwerken, met een energieverbruik dat doorgaans lager is dan 20 W. Door gebruik te maken van fysiek gescheiden eenheden voor dataverwerking en -opslag, tracht neuromorfisch rekenen hoge prestaties en energie-efficiëntie te bereiken in de computersystemen van de toekomst. Synaptische apparaten, die de fundamentele componenten vormen binnen neuromorfe systemen, beschikken over de inherente mogelijkheid om te functioneren als geheugenapparaten met een nauwkeurige controle over de kanaalgeleiding. Deze apparaten kunnen naadloos worden geïntegreerd in kunstmatige neurale netwerken om in-memory computing te faciliteren, waardoor de functionaliteiten van geheugen en berekeningen worden gecombineerd.

Het moduleren van de ferroelectrische polarisatie in Fe-FET's (ferroelectric field-effect transistors) kan worden gerealiseerd door het altereren van de verhouding van omhoog- en omlaag-gepolariseerde domeinen met behulp van pulserende elektrostatische gating. Deze manipulatie resulteert in het ontstaan van geleidbaarheidstoestanden met meerdere niveaus, gekarakteriseerd door hun niet-vluchtige en historisch afhankelijke eigenschappen. Het geheugen van Fe-FET's maakt het mogelijk om deze apparaten als synaptische elementen te gebruiken in een breed scala van neuromorfe toepassingen. Chen et al. slaagden erin om een 2D HZO/WS2 Fe-FET-apparaat te ontwikkelen dat de plasticiteit nabootst die we in biologische synapsen waarnemen.

In biologische synapsen kunnen neurotransmitterblaasjes die zich in een presynaptische neuron bevinden, zich over de synaptische spleet verspreiden en uiteindelijk de postsynaptische neuron bereiken. Dit proces veroorzaakt een postsynaptische stroom als gevolg van een elektrisch signaal. Het synaptische gewicht kan worden gemoduleerd door een reeks poortspanningspulsen toe te passen, wat leidt tot de versterking of onderdrukking van de postsynaptische stroom die vrijkomt uit het synaptische apparaat. Dit apparaat vertoont lange-termijn synaptische plasticiteit door de niet-vluchtige polarisatie in HZO. Verder heeft het synaptische apparaat dat gebruik maakt van de P(VDF-TrFE)/MoS2 materiaalcombinatie een substantieel ON/OFF-ratio vertoond, waarbij het meer dan 1.000 controleerbare toestanden overschrijdt.

De ontwikkeling van FeS-FET's, die gebruik maken van tweedimensionale ferroelectrische halfgeleiders, heeft het mogelijk gemaakt om synaptische plasticiteit na te bootsen. In2Se3 wordt vaak gebruikt in FeS-FET's vanwege de gecorreleerde koppeling tussen de uit-vlak en in-vlak polarisatie. Deze koppeling houdt in dat zowel een vlakke als verticale elektrische veld de uit-vlak en in-vlak polarisatie kan manipuleren, wat In2Se3 geschikt maakt voor multi-terminale synaptische apparaten.

Een ander interessant domein van toepassing is spintronica, waarbij spin-gebaseerde apparaten gebruik maken van de spin-polarisatie van elektronen. De interactie tussen ferroelectrische polarisatie en spin-afhankelijke fenomenen in 2D ferroelectrische materialen maakt het mogelijk spin-gebaseerde apparaten te realiseren die elektrisch gemanipuleerd kunnen worden. Het Rashba-effect is een spin-afhankelijk fenomeen dat effectief kan worden gecontroleerd door middel van elektrische middelen. Dit effect is met name prominent in 2D ferroelectrica, waar altijd een inherente elektrische veld aanwezig is. De niet-centrosymmetrische aard van 2D ferroelectrica kan leiden tot niet-triviale spin-orbitaal koppelingseffecten, vooral wanneer zware atomen aanwezig zijn in de materialen. De schakelbare ferroelectrische polarisatie kan effectief worden ingezet voor de elektrische manipulatie van de spin-polarisatierichting, mits er een correlatie bestaat tussen de polarisatie en het Rashba-effect.

Naast spintronica wordt ook valleytronica steeds relevanter. Sommige materialen vertonen meerdere valleien in hun elektronische structuren, wat een extra vrijheidsgraad voor elektronen biedt. Dit fenomeen is met name zichtbaar in 2D 2H-MoS2-materialen. De afwezigheid van inversiesymmetrie in deze materialen leidt tot tegenstrijdige optische selectie-regels voor circulair gepolariseerd licht en de verschijning van het valley Hall-effect. Door externe velden toe te passen, kan valley-polarisatie worden bereikt door de tijd-inversie-symmetrie te breken. In dit verband werd door Shen et al. het idee van een elektrisch instelbare polarizer gepresenteerd, gebruikmakend van de optische selectie-regels die specifiek zijn voor valleytronica.

De interesse in 2D ferroelectrische materialen is de laatste jaren sterk toegenomen, met nadruk op toepassingen in logica, geheugen en opto-elektronische apparaten die uitstekende prestaties leveren en minimale energieverbruik vereisen. Hoewel veel voorspellingen en onderzoeken naar deze materialen al zijn uitgevoerd, bevindt de experimentele verkenning van 2D ferroelectriciteit, met name die binnen een vlak, zich nog in de beginfase. Theoretische berekeningen bieden richtlijnen voor het verkennen en valideren van nieuwe 2D ferroelectrische materialen, ondanks de uitdagingen in het consistent observeren van spontane polarisatie in ultradunne 2D-materialen. Er bestaan verschillende benaderingen voor het onderzoeken van nieuwe 2D ferroelectrische materialen, die essentieel zijn voor de verdere vooruitgang in dit vakgebied.

Wat is de Rol van 2D Semiconductors in Geavanceerde Sensoren en Elektronische Apparaten?

De opkomst van 2D-semiconductors heeft geleid tot een fundamentele verschuiving in de mogelijkheden van elektronica, vooral op het gebied van gasdetectie en sensoren. Deze materialen, zoals MoS2 en andere overgangsmetaaldisulfiden, bieden unieke eigenschappen die de grenzen van conventionele technologieën verleggen. Ze maken het mogelijk om ultrasensitieve sensoren te ontwikkelen die operationeel zijn onder diverse omstandigheden, wat ze bijzonder geschikt maakt voor toepassingen in omgevingen waar traditionele sensoren tekortschieten.

De ontwikkeling van 2D-semiconductors begon met de ontdekking van monolayer MoS2-transistors, die uitzonderlijk hoge on/off-verhoudingen vertoonden, verbeterde toegankelijkheid en extreem lage off-toestandsstromen. Deze transistors gaven niet alleen een belangrijke impuls aan de miniaturisatie van elektronische apparaten, maar introduceerden ook nieuwe mogelijkheden voor de vervaardiging van laagvermogen, duurzame elektronische apparaten. Dit werd verder versterkt door de veelzijdigheid van 2D-materialen, die in staat zijn verschillende elektrische activiteiten te combineren, wat resulteerde in meer efficiënte en specifiek toepasbare technologieën. Heterogene integratie van deze materialen in geavanceerde systemen stelt wetenschappers in staat om nieuwe soorten elektronische apparaten te creëren, waaronder ultrafast niet-vluchtige flashgeheugens, programmeerbare logica en zelfs logica-in-geheugen systemen.

Een ander significant voordeel van 2D-materialen, zoals MoS2, is hun uitstekende prestaties in foto-elektrochemische sensoren. Deze sensoren zijn in staat om zeer lage concentraties van specifieke stoffen te detecteren, zelfs in complexe omgevingen. Zo werd een foto-elektrochemische sensor ontwikkeld op basis van MoS2, die uiterst gevoelig bleek voor de detectie van dopamine, een belangrijk molecuul in biologische systemen. Dit opent nieuwe deuren voor medische toepassingen, zoals de monitoring van neurotransmitters in het menselijk lichaam.

De veelzijdigheid van 2D-semiconductors komt niet alleen tot uiting in hun toepassing als sensoren, maar ook in hun potentieel voor milieu- en veiligheidstoepassingen. Bijvoorbeeld, 2D-materialen zijn in staat om gassen zoals NO2, NH3 en zelfs schadelijke zware metalen te detecteren, wat essentieel is voor het monitoren van vervuiling in industriële omgevingen. De hoge gevoeligheid van deze sensoren betekent dat ze zelfs in omgevingen met lage concentraties schadelijke stoffen nauwkeurige metingen kunnen uitvoeren. Dit maakt 2D-semiconductors tot een waardevol hulpmiddel in de strijd tegen milieuvervuiling en in de ontwikkeling van slimme steden en Internet of Things (IoT)-toepassingen, waar real-time detectie van gassen essentieel is.

Bovendien biedt de mogelijkheid om 2D-materialen te combineren met andere nanostructuren, zoals CdS-kwantumpunten, de potentie om de prestaties van foto-elektrochemische sensoren verder te verbeteren. Deze hybride materialen kunnen de zicht

Hoe kunnen 2D Halfgeleiders bijdragen aan de vooruitgang in Supercondensatoren en Elektronische Apparaten?

De synthese van twee-dimensionale (2D) materialen is de afgelopen jaren een belangrijk onderzoeksgebied geworden, vanwege hun unieke eigenschappen en veelbelovende toepassingen in diverse technologieën, van elektronica tot energieopslag. Een van de meest interessante aspecten van deze materialen is hun potentieel voor gebruik in supercondensatoren en andere elektrochemische toepassingen, zoals fotodetectoren. De synthesemethoden die worden gebruikt om deze 2D-materialen te verkrijgen, spelen een cruciale rol in hun structurele en elektronische eigenschappen.

In de synthese van 2D halfgeleiders, zoals Bi2S3, worden vaak technieken zoals chemische dampdepositie (CVD) toegepast. Deze methode maakt gebruik van een vacuümomgeving en hoge temperaturen om materialen met een hoge kristallinitéit en uitstekende elektronische eigenschappen te produceren. De opgebrachte 2D-flakes worden direct op een SiO2/Si-oppervlak getransporteerd, en na de synthese worden de materialen gekarakteriseerd met een atoomkrachtmicroscoop (AFM), die een uniforme en schone oppervlakte toont zonder chemische residuen of kritieke defecten. De CVD-techniek biedt daardoor materialen met gecontroleerde dikte, uitstekende prestaties, en schaalbaarheid, maar het proces is energie-intensief en kostbaar vanwege de vereiste hoge temperaturen en vacuümomstandigheden.

Een alternatieve methode voor de synthese van 2D nanokristallen is de colloïdale benadering, die minder energie-intensief is en voordelen biedt voor de productie van dunne en uniforme nanodeeltjes. Een voorbeeld hiervan is de synthese van CdSe-gebaseerde 2D nanocrystals, die zeer interessante toepassingen hebben in elektronische apparaten. Bij deze methode worden metalen chalcogeniden zoals cadmiumselenide gekozen vanwege hun uitstekende optische en elektrische eigenschappen, die variëren afhankelijk van de kristalstructuur. De voorkeur gaat uit naar hexagonale structuren, omdat deze de ladingsoverdracht door het materiaal kunnen verbeteren, wat gunstig is voor elektronische toepassingen.

De oplossing-synthesemethoden kunnen worden onderverdeeld in top-down en bottom-up benaderingen. In de top-down benadering worden technieken zoals vloeistof-fase-exfoliatie en chemische ion-intercalatie gebruikt om 2D-materialen uit bulkmaterialen te verkrijgen. Aan de andere kant worden bij de bottom-up benadering metalen chalcogeenprecursors en oplosmiddelen gemengd in een fles onder beschermende stikstofomstandigheden, waarbij het materiaal zich ontwikkelt door nucleatie en groei bij verhoogde temperaturen. Deze benadering, die het klassieke LaMer-model volgt, maakt het mogelijk om nanodeeltjes en nanosheets te vormen die optische en elektrische eigenschappen vertonen die essentieel zijn voor de ontwikkeling van laagkostentechnologieën in elektronische apparaten.

Naast de CVD- en colloïdale benaderingen, zijn 2D-materialen veelbelovend voor toepassingen in energieopslag, vooral in supercondensatoren. Supercondensatoren zijn een interessant alternatief voor conventionele batterijen vanwege hun vermogen om snel grote hoeveelheden energie op te slaan en af te geven. De keuze van de elektrode-materialen is cruciaal voor het verbeteren van de prestaties van supercondensatoren. In dit opzicht hebben materialen zoals MXenes, metaal-organische raamwerken (MOFs) en covalente organische raamwerken (COFs) aanzienlijke aandacht getrokken.

MXenes, die in 2011 voor het eerst werden ontdekt, zijn 2D anorganische verbindingen die bestaan uit overgangsmetaalcarbiden, -nitriden en -carbonitriden. Deze materialen combineren uitstekende elektrische geleidbaarheid met hydrofobiciteit, wat ze ideaal maakt voor gebruik in supercondensatoren. Onderzoek heeft aangetoond dat MXene-gebaseerde composieten, zoals MXenes-MnO2/Ti3-C2Tx_Ar, specifieke capaciteiten vertonen die aanzienlijk hoger zijn dan die van pure materialen, met een uitstekende capaciteit-behoud na duizenden oplaadcycli.

MOFs, die hybride materialen zijn met een kristallijne structuur en een hoge porositeit, worden ook onderzocht als elektrode-materialen voor supercondensatoren. Ondanks hun indrukwekkende elektrochemische eigenschappen, hebben MOFs echter beperkingen zoals beperkte cyclische stabiliteit bij hoge laad-/ontlaadpercentages. Wetenschappers hebben geprobeerd deze tekortkomingen te overwinnen door de porositeit en het oppervlak van MOFs te verbeteren door thermische dekompositie van MOF-precursoren in aanwezigheid van stikstofgas, waardoor de elektrische geleidbaarheid wordt verhoogd en de stabiliteit verbetert.

COFs, die uit een organisch netwerk bestaan, gevormd door covalente bindingen, bieden ook veelbelovende mogelijkheden voor toepassingen in energieopslag. COFs kunnen worden afgesteld op moleculaire ontwerpen, zodat ze verschillende functies kunnen vertonen die hen geschikt maken voor elektronische en elektromechanische toepassingen. De pseudocapacitantie van COFs, die wordt veroorzaakt door redoxmechanismen in het COF-ruggengraat, maakt ze ideaal voor gebruik als elektrode-materialen in supercondensatoren. Door COFs te carboniseren, hebben onderzoekers hogere specifieke capaciteiten en verbeterde prestaties bij hoge stroomsnelheden bereikt.

Naast de bovengenoemde materialen, hebben ook metalen nitriden, zoals Fe2N en TiN, de aandacht getrokken als elektrode-materialen vanwege hun uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid en chemische stabiliteit. Deze materialen kunnen worden gesynthetiseerd via verschillende methoden en bieden veelbelovende prestaties in supercondensatoren, vooral wanneer ze worden gecombineerd met verticaal-geordende grafenenschermen.

De synthese van 2D-materialen en hun toepassing in elektrochemische systemen, zoals supercondensatoren, is een snel evoluerend onderzoeksgebied. De diversiteit van de materialen en de verscheidenheid aan synthese- en karakteriseringstechnieken bieden enorme mogelijkheden voor de verbetering van energieopslagsystemen, maar ook voor de ontwikkeling van innovatieve elektronische apparaten. Bij de keuze van materialen moet niet alleen naar de elektrochemische eigenschappen worden gekeken, maar ook naar andere aspecten zoals de thermische en chemische stabiliteit, die essentieel zijn voor de lange termijn prestaties van het systeem.