Wat maakt bio-afbeeldingstechnologieën en geavanceerde sensoren zo cruciaal voor de toekomst van de elektronica?

Bio-afbeeldingstechnologieën en geavanceerde biosensoren spelen een steeds grotere rol in de moderne wetenschap en technologie. Ze bieden nieuwe mogelijkheden voor diagnose, monitoring en zelfs het verbeteren van de prestaties van elektronische apparaten. De recente vooruitgangen in materiaalwetenschap en nanotechnologie hebben een significante bijdrage geleverd aan het versterken van de rol van deze technologieën, met name op het gebied van gezondheid en elektronica.

In de wereld van bio-afbeelding, zoals bijvoorbeeld bij de toepassing van fluorescentie- en Raman-spectroscopie, heeft men de potentie om gedetailleerde, moleculaire beelden te verkrijgen van biologische processen in vivo. Deze technologieën maken gebruik van geavanceerde materialen zoals grafeen, zwart fosfor en MXenen, die een lage energetische drempel en uitstekende optische eigenschappen bieden. Deze materialen spelen een sleutelrol in de verbetering van de resolutie en de gevoeligheid van bio-afbeeldingstechnieken, wat essentieel is voor toepassingen zoals tumordiagnose en monitoring van ziektes op moleculair niveau.

Biosensoren die gebruik maken van deze geavanceerde materialen bieden daarnaast onmiskenbare voordelen voor de detectie van ziekte-indicatoren en andere biomoleculen. Grafeen en 2D-materialen zoals MoS2 en TMDC’s (transitiemetaal-dichalcogeniden) bieden uitstekende platformen voor het bouwen van sensoren die zeer gevoelig zijn voor chemische en biologische signalen. Door de inherente elektrische en opto-elektronische eigenschappen van deze materialen kunnen biosensoren sneller, nauwkeuriger en met een lagere detectie-drempel werken dan hun traditionele tegenhangers. Dit opent de deur naar beter geïnformeerde beslissingen in de medische en diagnostische sector.

De technologieën achter lichtemissie, zoals licht-emitterende diodes (LED's) en de opkomst van quantum dots (QDs), hebben eveneens een breed scala aan toepassingen in bio-afbeelding en biosensing. Quantum dots bieden voordelen op het gebied van spectrale breedte en stabiliteit, wat hen bijzonder nuttig maakt voor dynamische beeldvorming en tracking van biomoleculen in real-time. Dit heeft niet alleen invloed op medische toepassingen, maar ook op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor fotonische en opto-elektronische apparaten.

Daarnaast maken de vooruitgangen in opklimmende benaderingen, ook wel bottom-up benaderingen genoemd, het mogelijk om nanomaterialen met precisie te synthetiseren, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in flexibele elektronica en sensoren. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerde sensoren die kunnen worden geïntegreerd in draagbare technologieën, waarmee continue monitoring van de gezondheid van een individu mogelijk wordt. In de toekomst zou dit kunnen leiden tot een revolutie in de medische zorg, door patiënten in staat te stellen hun gezondheid in real-time te monitoren, zonder constant fysieke bezoeken aan artsen te hoeven afleggen.

In de elektronica wordt de ontwikkeling van logische apparaten en geheugentechnologieën ondersteund door materialen zoals ferroelectrische en magneetgeheugensystemen, die kunnen worden geoptimaliseerd voor zowel snelheid als energiebesparing. Geheugenapparaten die niet-vluchtige eigenschappen vertonen, zoals faseverandering-geheugensystemen (PCM) en memristors, vormen een ander belangrijk gebied van technologische vooruitgang. De combinatie van deze geavanceerde geheugentechnologieën met materialen zoals perovskieten en multiferroïsche verbindingen kan de prestaties van niet-vluchtige geheugensystemen aanzienlijk verbeteren.

De mogelijkheid om geavanceerde materialen zoals zwart fosfor, silicene, en germanene te combineren met traditionele halfgeleiders opent nieuwe mogelijkheden voor de integratie van fotonische en elektronische componenten in een enkel systeem. Deze hybride systemen zijn niet alleen een stap vooruit in de ontwikkeling van efficiëntere licht-emitterende apparaten, maar kunnen ook worden toegepast in opkomende technologieën zoals opto-elektronische chips en geavanceerde computernetwerken. Door deze geavanceerde materialen te combineren met fotovoltaïsche technologieën kunnen we verwachten dat de efficiëntie van zonnecellen en andere energie-opwekkende systemen zal toenemen.

Tot slot, een belangrijke vooruitgang die vaak over het hoofd wordt gezien, is de opkomst van niet-vluchtige geheugensystemen en de integratie van optische en elektronische componenten. De verdere ontwikkeling van optische geheugen- en fotonische geheugensystemen zou de verwerkingssnelheid van systemen kunnen verhogen en tegelijkertijd de energiekosten verlagen. Dit zal essentieel zijn voor de ontwikkeling van supercomputers, geïntegreerde circuits en kunstmatige intelligentie (AI)-systemen, die steeds veeleisender worden in hun rekenkracht en verwerkingscapaciteit.

De combinatie van de bovengenoemde technologieën biedt een visie voor een toekomst waarin elektronica, geneeskunde en energiebesparing hand in hand gaan. De integratie van nieuwe materialen in bio-afbeelding, biosensoren, en energie-opslagtechnologieën vormt niet alleen een stap vooruit voor wetenschappelijke vooruitgang, maar biedt ook de basis voor de volgende generatie innovaties in elektronica, gezondheid en duurzame energie.

Hoe Van der Waals-krachten de Stabiliteit van 2D Heterostructuren Beïnvloeden

De Van der Waals (vdW)-krachten tussen lagen helpen de integriteit van de structuur te behouden. Doordat deze krachten zwak zijn, wordt het mogelijk om verschillende materialen samen te stellen zonder sterke chemische bindingen. De zwakke interactie maakt relatieve flexibiliteit tussen de lagen mogelijk, wat resulteert in de vorming van scherpe interfaces en het behoud van de individuele eigenschappen van elk materiaal. Deze zwakke vdW-krachten vergemakkelijken ook de uitlijning van de kristallijne roosters van de gestapelde materialen. De juiste uitlijning van de roosters is essentieel om gewenste elektronische banduitlijningen te bereiken, wat leidt tot efficiënte ladingsscheiding en -overdracht.

Een van de bekendste voorbeelden van een 2D-heterostructuur is de “MoS2-WSe2” heterostructuur. Hier worden twee verschillende overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s), molybdeen disulfide (MoS2) en wolfraam diselenide (WSe2), verticaal gestapeld. De banduitlijning in deze heterostructuur leidt tot efficiënte ladingsscheiding, wat potentieel toepassingen in fotodetectoren, zonnecellen en lichtemitterende diodes (LED’s) mogelijk maakt. Heterostructuren kunnen worden aangepast door specifieke 2D-halffabrikaatmaterialen te selecteren, het aantal lagen te controleren en de relatieve stapeloriëntaties aan te passen, waardoor een nauwkeurige controle over hun elektronische en opto-elektronische eigenschappen mogelijk is. Deze eigenschappen maken heterostructuren veelbelovende kandidaten voor verschillende elektronische en opto-elektronische apparaten.

Aan de andere kant omvatten homostructuren het stapelen van meerdere lagen van hetzelfde 2D-halffabrikaatmateriaal op elkaar. Dit resulteert in een herhalend patroon van identieke lagen, waarbij de vdW-krachten opnieuw een cruciale rol spelen in de stabilisatie van de verticale stapeling. De zwakke interlaaginteracties maken de vorming van regelmatige herhalende patronen mogelijk, met een precieze uitlijning (AB-stapeling) of een specifieke roterende hoek (AA-stapeling), wat verschillende elektronische eigenschappen creëert, zoals eerder besproken. Bovendien verwijst laterale stapeling in 2D-halffabrikaatmaterialen naar de rangschikking van individuele halffabrikaatlagen naast elkaar op een substraat, waardoor een laterale stapel ontstaat. De eigenschappen van laterale stapels van 2D-halffabrikaatmaterialen kunnen worden beïnvloed door interlaaginteracties en stapelvolgorde, wat hun elektronische, optische en transporteigenschappen kan beïnvloeden. Net als bij verticale stapeling kan laterale stapeling worden gecontroleerd om heterogene structuren met specifieke eigenschappen te creëren door verschillende 2D-halffabrikaatmaterialen te combineren.

TMDC’s kristalliseren als gelaagde verbindingen met metaalatomen tussen chalcogeenatomen met een stechiometrie van 1:2. TMDC’s met de formule MX2 (M: overgangsmetaal; X: chalcogeen) zijn uitgegroeid tot belangrijke materialen in het post-graphene tijdperk. Er kunnen ongeveer 40 verschillende verbindingen van TMDC’s worden geïdentificeerd, met overgangsmetalen uit de groepen 4, 5, 6, 7, 9 en 10 van het periodiek systeem, naast zwavel (S), seleen (Se) en telluur (Te). De metalen en chalcogenen zijn covalent gebonden binnen een laag, en de lagen worden bijeengehouden door vdW-bindingen. Deze structurele eigenschap maakt het mogelijk om verschillende typen gelaagde TMDC’s te vergelijken met atomair dunne bouwstenen, vergelijkbaar met Lego-stenen, die verticaal gestapeld of lateraal verbonden kunnen worden om samengestelde structuren te creëren. Dit Lego-geïnspireerde concept heeft gediend als de drijvende kracht achter de synthese van laterale en verticale heterostructuren met ongekende eigenschappen.

Indien de twee lagen in het vlak verbonden zijn, vormen ze laterale heterostructuren. Indien een laag bovenop een andere laag wordt gestapeld, ontstaat een verticale heterostructuur. De eerste experimentele gevallen betroffen het verticaal stapelen van verschillende 2D-materialen, bereikt door gecontroleerd overbrengen van exfoliërende films of door direct verschillende TMDC’s te laten groeien op reeds bestaande lagen. Niettemin stonden de pogingen om laterale heterostructuren met in-vlak variaties te creëren voor obstakels door de complexiteit van het verfijnen van geavanceerde groeimethodes. Toch werd vooruitgang geboekt door het toepassen van de techniek van rand epitaxie.

De binding van metaal- en chalcogeenatomen binnen een TMDC kan worden begrepen als twee tetraëders die in tegengestelde oriëntaties zijn gerangschikt. De verschillende fasen, aangeduid als de H- en T-fasen, worden gedefinieerd door de configuratie van deze tetraëders. In de H-fase zijn de bovenste en onderste tetraëders symmetrisch georganiseerd, wat resulteert in een trigonaal prismatisch rooster. Daarentegen wordt in de T-fase de bovenste tetraëder 180 graden gedraaid, wat leidt tot een octaëdrische structuur die vaak vervorming vertoont. De volgorde van de atomische lagen, bekend als de stapelsequentie of polytype, heeft invloed op de elektronische configuratie, trillingsspectra en de eigenschappen van lichtinteractie.

Het is mogelijk om verschillende atomische rangschikkingen binnen dezelfde chemische fase te identificeren. De enkelvoudige laag van de H-fase vertoont een hexagonaal kristalrooster, en wordt aangeduid als de 1H-fase. De H-fase kan verschillende polytypes hebben door verschillende stapelsequenties van lagen. De 2H-fase, die het meest gebruikelijk is, voegt een schroefrotatie toe in de symmetrie als gevolg van de AB-stapeling van de tweede laag, terwijl het hexagonale kristalsysteem behouden blijft. In tegenstelling hiermee vermindert de 3R-fase de roterende symmetrie van zesvoudig naar drievoudig, waardoor een rhomboëdrisch rooster ontstaat. De T-fase van zowel mono- als multilagen heeft dezelfde symmetrie door de AA-stapeling, en kan daarom als 1T worden aangeduid.

Recentelijk is een innovatieve benadering toegepast waarbij de uit-of-plane structurele symmetrie in monolagen van MoSe2 en MoS2 werd gemanipuleerd, wat leidde tot een asymmetrische Janus MoSSe monolagstructuur die is gesynthetiseerd en gekarakteriseerd. De studie van Song et al. toonde de invloed van dipoolmomenten in verschillende stapelorientaties binnen de MoSSe-bilayer op interlaaginteracties, wat een mechanisme voor het fijn afstemmen van carriërlevensduur bood. Hiermee werden zowel verticale als laterale heterostructuren succesvol gesynthetiseerd, wat aangeeft dat er aanzienlijke vooruitgang is geboekt richting de fabricage van heterogene structuren via het gebruik van 2D-Januslagen. Via vdW-interacties kunnen verticale en laterale Janus-heterostructuren met type-II banduitlijning spontaan vrije elektronen en gaten scheiden, waardoor de fotokatalytische activiteit verder wordt verbeterd.

De fundamentele mechanismen van carrierrelaxatie en recombinatie in deze Janus-heterostructuren blijven echter nog grotendeels onbekend. Er is daarom veel potentieel voor verdere ontwikkeling van deze structuren om geavanceerdere toepassingen in fotonische en elektronische apparaten mogelijk te maken.

Hoe werken 2D overgangsmetaaldichalcogeniden in memristoren en waarom zijn ze zo veelbelovend?

Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) zijn een klasse van 2D halfgeleidende materialen met de algemene chemische formule MX₂, waarbij M een overgangsmetaal is zoals molybdeen (Mo), wolfraam (W) of hafnium (Hf), en X een chalcogeenatoom zoals zwavel (S), selenium (Se) of telluur (Te). Deze materialen hebben een typische sandwichestructuur waarbij een laag M-atomen is ingeklemd tussen twee lagen X-atomen, stevig gebonden via covalente bindingen. De meest voorkomende fase van TMD’s is de 2H-fase, die halfgeleidend en thermodynamisch stabiel is, met een grote, afstelbare bandopening en hoge drager-mobiliteit. Deze eigenschappen maken TMD’s bijzonder geschikt voor elektronische en opto-elektronische toepassingen.

Binnen de familie van TMD’s is molybdeen-disulfide (MoS₂) het meest bestudeerde materiaal. Het komt in de natuur voor als molybdeensulfide en is goed stabiel. Hoewel intrinsiek MoS₂ niet de kenmerkende weerstandsveranderende (RS) eigenschappen vertoont die nodig zijn voor memristoren, kunnen defecten en onzuiverheden, die vrijwel altijd aanwezig zijn na synthese, dit gedrag wel teweegbrengen. Dit is cruciaal omdat het veranderlijke aantal zwavelvacatures (VS) in het rooster de elektrische weerstand van het materiaal kan moduleren. Zo werden in 2015 de eerste monolaag-MoS₂-memristoren gerapporteerd die niet-vluchtige RS vertoonden met wisselverhoudingen tot wel 10³, waarbij grensvlakken in het kristal de migratie van zwavelvacatures veroorzaakten.

De uitdaging bij vroege ontwerpen was echter dat de laterale structuur van deze memristoren onpraktisch was door lekstromen, wat schaalbaarheid op subnanometerniveau bemoeilijkte. In 2018 werd een doorbraak bereikt met verticale structuren waarbij edelmetaal-elektroden (Au) werden toegepast om ongewenste effecten te vermijden. Deze apparaten toonden een hoge aan/uit-verhouding boven 10⁴ zonder dat een elektro-formatieproces nodig was, wat wijst op een andere RS-mechaniek dan bij traditionele metaal-oxide memristoren. Onderzoek met scanning tunneling microscopie toonde aan dat zwavelvacatures en de absorptie van metaalad- atomen een één-op-één relatie vertonen met de weerstandstoestand, waarbij de gelaagde structuur van MoS₂ een scherpe, schone interface creëert die lekstromen minimaliseert.

Naast defectgemedieerde RS zijn er ook varianten met dopering of intercalatie, zoals Li⁺-ionen die faseovergangen in MoS₂ kunnen induceren en zo de weerstand beïnvloeden. Ook werden fotomemristoren gemaakt met op nanospheres gebaseerde structuren, waarbij de polarisatie de weerstand bepaalt. Oxidatieprocessen werden ingezet om ultradunne schakellaagjes te creëren die energiebesparing en minder variabiliteit in het schakelen mogelijk maken. Bijvoorbeeld in structuren met grafeen en geoxideerde MoS₂, waarbij hoge thermische stabiliteit tot 340 °C werd waargenomen.

Wolfraamdisulfide (WS₂), een analoog van MoS₂, onderscheidt zich door hogere thermische stabiliteit en oxidatieweerstand. Met een bandgap tot 2,1 eV en een band-splitting die drie keer zo groot is als bij MoS₂, biedt het materiaal veelbelovende prestaties. Memristoren met WS₂ vertonen zeer laag energieverbruik en vertonen RS gedrag dat wordt gedomineerd door vacaturendynamiek, inclusief zowel zwavel- als wolfraamvacatures. Elektron-hoppen tussen deze vacatuurlocaties, gestimuleerd door Joule-verwarming, verbetert de schakelfunctionaliteit.

Verder opent het stapelen van 2D-materialen via Van der Waals-heterostructuren nieuwe mogelijkheden. Memristoren opgebouwd uit WS₂/MoS₂-heterostructuren combineren de eigenschappen van beide materialen en tonen verbeterde schakelverhoudingen en levensduur, doordat de RS wordt gestuurd door milde bandmodulatie in plaats van materiaaldegradatie. Dit draagt bij aan stabiliteit en herhaalbaarheid.

Naast deze systemen winnen rhenium-dichalcogeniden (ReS₂, ReSe₂) aan populariteit vanwege hun unieke laag-symmetrische, triclinische kristalstructuren met zwakke interlaagkoppeling en sterke anisotropie. Dit leidt tot afwijkende materiaaleigenschappen en nieuwe nanofenomenen. ReS₂-memristoren vertonen uniforme RS zonder elektroformatie en simuleren synaptische plasticiteit, wat hen geschikt maakt voor neuromorfe toepassingen.

MoTe₂ onderscheidt zich door een zeer kleine energiedifferentie tussen verschillende fasen, wat een soepele overgang tussen halfgeleidende en meer geleidende toestanden mogelijk maakt. Dit maakt het bijzonder interessant voor faseovergangsgebaseerde memristoren, waarbij elektrische velden fasedynamiek aansturen zonder sterke afhankelijkheid van fabricagecondities.

Vanuit technisch oogpunt is het belangrijk te begrijpen dat de wisselwerking tussen defecten, dopanten, en fase-overgangen de kern vormt van het memristieve gedrag van 2D TMD-materialen. De schone interfaces, atomair dunne structuren en mogelijkheid tot elektrische, chemische of lichtgestuurde manipulatie maken ze tot unieke platformen voor next-generation geheugentoepassingen. Daarnaast vormt het voorkomen van ongewenste lekstromen en het beheersen van vacaturendynamiek de sleutel tot stabiele en energiezuinige memristoren.

Het samenspel van structurele eigenschappen, elektronische bandmodulaties en defectfysica in deze materialen leidt tot een breed scala aan schakelmechanismen. Dit impliceert dat memristoren gebaseerd op 2D-TMD’s niet alleen gebruikt kunnen worden voor traditionele geheugentoepassingen, maar ook voor nieuwe domeinen zoals neuromorfe computing en opto-elektronische systemen. De variabiliteit in eigenschappen binnen dezelfde materiaalfamilie door compositie-, fase- en interfacedynamiek biedt ruimte voor gerichte optimalisatie, waarbij inzicht in de fundamentele defect- en faseprocessen essentieel is.