De ontdekking van twee-dimensionale semiconductormaterialen (2D-SCM’s) heeft een nieuwe weg ingeslagen in het domein van materialenwetenschappen. Deze materialen bieden uitzonderlijke optische, elektrische, thermische en mechanische eigenschappen, die ze veelbelovende kandidaten maken voor uiteenlopende toepassingen in opto-elektronica, fotonica en flexibele elektronica. De mechanische eigenschappen van deze materialen spelen een cruciale rol in hun potentieel voor de ontwikkeling van verschillende technologieën.

Het mechanische gedrag van 2D-SCM’s is bijzonder vanwege hun ultradunne, atomaire structuur. In vergelijking met bulkmaterialen vertonen 2D-SCM’s vaak een verhoogde sterkte, flexibiliteit en slijtvastheid. Zo werd bijvoorbeeld aangetoond dat de bulk modulus van CVD-MoS2 (chemisch afgezette MoS2) ongeveer 5% lager is dan die van de exfoliatievorm van hetzelfde materiaal, wat aangeeft dat de mechanische eigenschappen niet drastisch veranderen door de introductie van puntdefecten. Dit biedt een belangrijke aanwijzing voor de mogelijke toepassingen van 2D-SCM’s in mechanische nanodevices.

De mogelijkheid om 2D-SCM’s in heterostructuren te stapelen, zoals bij MoS2-WS2 of MoS2-graphene, opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van geavanceerde opto-elektronische apparaten. Het koppelen van twee verschillende monolagen via lange-afstandsinteracties creëert een heterostructuur die, vanwege zijn unieke mechanische en optische eigenschappen, veelbelovend is voor de toepassing in fotodetectoren en lasers. Toch is de impact van de interlagenkoppeling tussen de monolagen op de mechanische eigenschappen nog onvoldoende onderzocht. Onderzoek naar de invloed van interlayer interacties op de mechanische stabiliteit van deze heterostructuren kan leiden tot verder inzicht in hun gebruik in flexibele en rekbare elektronica.

Om de mechanische eigenschappen van heterostructuren te onderzoeken, hebben onderzoekers verschillende technieken gebruikt. Een populaire methode is het gebruik van nanoindentatie om de elasticiteit en stijfheid van het materiaal te meten. In het geval van bilayerstructuren, zoals MoS2, vonden Liu en zijn collega's dat de elasticiteitsmodulus voor deze structuren lager was dan de som van de moduli van de afzonderlijke lagen, wat duidt op het schuiven van monolagen onder invloed van interacties tussen de lagen. Dit verschijnsel wordt verder versterkt door de zogenaamde interactiecoëfficiënt, die aangeeft hoe sterk de interacties tussen de monolagen zijn. Het blijkt dat deze coëfficiënt voor heterostructuren zoals MoS2–WS2 ongeveer 0.80 is, terwijl voor homostructuren zoals MoS2–MoS2 deze waarde lager ligt (0.75).

Bovendien kunnen 2D-SCM’s worden gebruikt als resonatoren in elektromechanische systemen. Deze resonatoren, die zich gedragen als sensoren voor massa, kracht en andere eigenschappen, hebben bijzondere voordelen door hun lage massa, hoge oppervlakte en mechanische stabiliteit. Graphene, bijvoorbeeld, is een veelbelovende kandidaat voor het maken van resonatoren door zijn hoge Young’s modulus, een lage dichtheid en uitstekende mechanische eigenschappen. Het gebruik van andere 2D-SCM’s, zoals MoS2, in dergelijke toepassingen is eveneens onderzocht en toont veel potentieel. De ontwikkeling van een prototype van een grafeenresonator door Bunch en zijn collega’s is een voorbeeld van hoe deze materialen in de toekomst toegepast kunnen worden in de detectie van externe krachten en trillingen.

De mogelijkheden van 2D-SCM’s in flexibele elektronica worden verder versterkt door hun opto-elektronische en thermische eigenschappen. Zo kunnen ze worden ingezet in fotodetectoren, lasers en zelfs in thermoelementen voor warmtebeheer. De mogelijkheid om de bandgap van deze materialen te tunen door middel van spanningsengineering, doping of het creëren van heterostructuren biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van apparaten met aangepaste elektronische en optische eigenschappen.

Een belangrijke overweging bij het gebruik van 2D-SCM’s in de industrie is de stabiliteit van deze materialen, vooral in heterostructuren. Het bestaan van defecten in deze materialen kan zowel positieve als negatieve invloeden hebben op de mechanische en elektrische eigenschappen. Het verbeteren van de stabiliteit van 2D-SCM’s door defecten te minimaliseren of juist in te zetten, kan de weg vrijmaken voor hun toepassing in geavanceerde technologieën. Evenzo vereist het gebruik van deze materialen in flexibele en rekbare elektronica verder onderzoek naar hun langdurige prestaties onder verschillende omgevingsomstandigheden.

Het mechanische gedrag van 2D-SCM’s is dus niet alleen bepalend voor hun toepassing in traditionele elektronica, maar opent ook de deur naar de ontwikkeling van nieuwe, flexibele en innovatieve apparaten. Door te begrijpen hoe de interlageninteracties en de defecten de eigenschappen van deze materialen beïnvloeden, kunnen onderzoekers de grenzen van de technologie verder verleggen en materialen ontwikkelen die zowel prestatiegericht als duurzaam zijn voor een breed scala aan toepassingen.

Hoe dragen tweedimensionale halfgeleiders bij aan de ontwikkeling van memristoren?

Met de toenemende beperkingen van traditionele complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) technologieën, nadert de informatica een punt waarop Moore’s wet haar grenzen bereikt. In deze context winnen niet-vluchtige geheugentechnologieën (NVM), zoals memristoren, snel aan belang. Memristoren onderscheiden zich door hun hoge opslagdichtheid, laag energieverbruik, snelle lees- en schrijftijden, en langdurige databehoud. Hun relatief eenvoudige sandwichstructuur maakt ze bovendien gemakkelijk schaalbaar, wat ze bijzonder aantrekkelijk maakt voor de volgende generatie elektronica.

Memristoren zijn niet alleen geschikt als niet-vluchtige geheugenelementen, maar vinden ook toepassingen in niet-vluchtige logica en neuromorfe computationele systemen. In logische toepassingen kunnen memristoren de beperkingen van de klassieke Von Neumann-architectuur overwinnen door reken- en opslagfuncties te integreren en daarmee de informatiestroomsnelheid te verhogen. In neuromorfe systemen bootsen memristoren synaptische functies na, dankzij hun vermogen tot niet-vluchtig synaptisch gewicht, plastische aanpassing, nanoschaal, laag energieverbruik en massale integratie.

Hoewel de exacte definitie van memristoren varieert, wordt in dit verband vaak de benadering van Leon Chua gehanteerd: alle twee-terminalige niet-vluchtige apparaten die op weerstandsschakeling zijn gebaseerd, kwalificeren als memristoren. Kenmerkend is hun I–V-karakteristiek met een geknepen hystereselus, die experimenteel identificeert kan worden.

Vroege memristoren gebruikten hoofdzakelijk metalen-oxide lagen als resistieve schakelmaterialen, maar deze materialen kennen beperkingen. Ze vertonen vaak onstabiele schakelgedragingen, wat leidt tot hoge lekstromen en kleine programmaverschillen. Bovendien beperken ze de mogelijkheid tot verdere miniaturisatie in driedimensionale structuren. Daarom is er een verschuiving naar tweedimensionale (2D) materialen die als resistieve laag fungeren. 2D materialen bieden unieke elektrische, optische, mechanische en thermische eigenschappen, naast uitstekende schaalbaarheid.

Memristoren gebaseerd op 2D materialen zoals SnS en MoS2 laten indrukwekkende prestaties zien, met on/off-verhoudingen die meerdere ordes van grootte beter zijn dan traditionele memristoren. Daarnaast is de stabiliteit van 2D memristoren significant verbeterd. Dit komt doordat de resistieve laag in 2D materialen minder defecten en uniformer is dan de dunne oxide lagen in traditionele apparaten, die vaak onregelmatigheden vertonen en daardoor onvoorspelbaar schakelgedrag veroorzaken.

De ontwikkeling van 2D memristoren concentreert zich vooral op halfgeleidermaterialen, waarbij de schakelwerking binnen monolagen of heterostructuren wordt bestudeerd. De fabricagemethoden, de onderliggende fysische mechanismen van weerstandsschakeling, en toepassingen in geavanceerde geheugentechnologieën en neuromorfe systemen zijn actueel onderwerp van intensief onderzoek.

Belangrijk om te begrijpen is dat het succes van 2D memristoren niet alleen afhangt van de materiaalkeuze, maar ook van de controle over interfaces, elektrodeconfiguraties en het beheer van defecten op nanoschaal. De interactie tussen 2D halfgeleiders en metalen elektroden speelt een cruciale rol in de weerstandsschakeling en de duurzaamheid van de apparaten. Daarnaast is integratie met bestaande CMOS-technologieën een uitdaging die zorgvuldig overwogen moet worden om de praktische toepassing van 2D memristoren te verzekeren.

Voor een diepgaand begrip van 2D memristoren is het essentieel om de complexiteit van de schakelmechanismen te waarderen, waaronder ionenmigratie, valentie- en faseovergangen en elektronische valentieveranderingen binnen de 2D structuren. Deze processen beïnvloeden niet alleen het schakelgedrag, maar ook de cyclische stabiliteit en het energiebesparingspotentieel van de apparaten. Tot slot is het besef van de mogelijkheden en beperkingen van huidige fabricagetechnieken cruciaal, omdat deze de schaalbaarheid en betrouwbaarheid van 2D memristoren bepalen.

Mikä on muuttolintujen rooli maaseudun ja kaupunkien ekosysteemeissä?
Miten koneet voivat luoda väärää tietoa ja miksi tämä on tärkeää ymmärtää?
Miten tunnistaa ja ehkäistä pyöräilijöiden kipuja ja vammoja?
Miten visio, missio ja arvot ohjaavat liiketoimintaa?
Miten Saat Auringon Häivymään: Tarina Yksiin Seitsemään