Liu et al. [49] toonden aan dat een Li–O2-batterij, bestaande uit een kathode en een foto-elektrode gemaakt van g-C3N4 op koolstofpapier, een zeer lage laadspanning (1,96 V) vertoonde. Dit resulteerde in een negatieve overpotentiaal en een veelbelovende oplader/-ontlaadcyclusprestatie. Deze bevindingen benadrukken het potentieel van nieuwe materialen in op zonne-energie gebaseerde batterijen. In dit kader zijn zonne-oplaadbare energieopslagsystemen zoals zonne-supercondensatoren (SCs), zonne-supercapacitors en foto-oplaadbare batterijen opkomende alternatieven voor traditionele opslagsystemen. De toepassing van halfgeleidende 2D nanomaterialen in deze systemen heeft veelbelovende prestaties getoond.

De belangrijkste uitdagingen bij het verbeteren van de fotokatalytische prestaties van deze 2D-nanomaterialen zijn onder andere het afstemmen van de bandgap-energie, het verbeteren van de ladingscheiding en het uitbreiden van de optische absorptie naar het zichtbare gebied. Deze uitdagingen kunnen worden aangepakt door verschillende strategieën, waarbij de fabricage van heterojuncties als een van de veelbelovendste methoden werd geïdentificeerd om de optische en fotokatalytische prestaties van halfgeleiders te verbeteren. De nadruk moet liggen op het aanpakken van de belangrijkste technische uitdagingen van op zonne-energie oplaadbare systemen, parallel aan fundamenteel onderzoek, en het verkennen van onbekende terreinen met nieuwe materialen en inventieve apparaatconfiguraties.

In de toekomst lijkt het potentieel van zonne-energiesystemen enorm, met veel ruimte voor groei, innovatie en positieve maatschappelijke effecten. Het gebruik van op zonne-energie opladende systemen zal waarschijnlijk niet alleen de efficiëntie van energieopslag verbeteren, maar ook bijdragen aan duurzamere energieproductie. Het is essentieel te begrijpen dat de technologische vooruitgang op dit gebied afhankelijk is van de mogelijkheid om te innoveren in materiaalwetenschap en de integratie van nieuwe concepten in de energiedistributie- en opslagsystemen.

In dit proces zijn er veel factoren die de adoptie van zonne-oplaadsystemen kunnen versnellen. Onder andere de afname van de kosten van materialen, verbeterde efficiëntie van de fotovoltaïsche componenten en de langetermijnstabiliteit van deze technologieën spelen een cruciale rol. De vooruitgang in de fabricage van 2D-materialen biedt nieuwe mogelijkheden voor het creëren van lichtgewicht, flexibele en efficiënte zonne-energieopslagapparaten. Dit opent de deur voor nieuwe toepassingen, van draagbare apparaten tot grootschalige energieopslagsystemen.

In wezen zal de ontwikkeling van op zonne-energie opgeladen batterijen en supercondensatoren niet alleen helpen bij het verbeteren van de efficiëntie van energienetwerken, maar ook het gebruik van hernieuwbare energiebronnen bevorderen. Dit zou kunnen bijdragen aan een snellere transitie naar een koolstofarme samenleving, waarin duurzame energie een grotere rol speelt in het dagelijks leven.

Wat zijn de belangrijkste methoden voor het synthetiseren van 2D-semiconductormaterialen?

De ontwikkeling van nieuwe technologieën op basis van halfgeleiders heeft in de afgelopen decennia geleid tot een revolutie in vele industrieën, waaronder elektronica, communicatie, opto-elektronica en sensoren. Binnen dit domein is de opkomst van 2D-semiconductormaterialen (SCMs) bijzonder belangrijk gebleken. Deze materialen, die slechts uit enkele atomen bestaan, bieden unieke fysieke en chemische eigenschappen die traditionele bulksemiconductoren ver te boven gaan. Ze bieden niet alleen nieuwe mogelijkheden voor elektronische apparaten, maar ook voor fotodetectoren, sensoren en andere geavanceerde toepassingen. Dit hoofdstuk richt zich op de methoden, uitdagingen en vooruitzichten voor de synthese van deze 2D SCM’s, en biedt een overzicht van de nieuwste ontwikkelingen op dit gebied.

Het synthetiseren van 2D-semiconductoren is geen gemakkelijke taak. Omdat ze atomair dun zijn, vergen deze materialen een zeer verfijnde controle over de synthetische processen. De methoden die worden gebruikt, bepalen in belangrijke mate de eigenschappen van het eindproduct, zoals de elektronica, optica en mechanische eigenschappen. Een van de belangrijkste voordelen van 2D-semiconductoren is de mogelijkheid om de bandgap, de energiebarrière die bepaalt hoe gemakkelijk elektronen zich kunnen verplaatsen, precies af te stemmen. Dit is cruciaal voor het creëren van op maat gemaakte materialen die kunnen worden gebruikt in een breed scala van toepassingen.

Er zijn verschillende synthetische benaderingen die worden gebruikt om 2D SCM’s te produceren, waarbij zowel top-down als bottom-up technieken gebruikelijk zijn. De top-down benadering houdt in dat grotere materialen worden omgevormd tot nanoscalaire structuren door het verwijderen of exfoliëren van materiaal uit bulk- of gelaagde materialen. Dit is bijzonder handig voor materialen die van nature in bulk of gelaagde vormen voorkomen. Deze methode biedt uitstekende controle over de grootte, vorm en dikte van de resulterende 2D-materialen, maar kan wel leiden tot de introductie van defecten en heeft vaak beperkte schaalbaarheid.

In tegenstelling tot de top-down benadering, waarbij grotere structuren worden verkleind, richt de bottom-up benadering zich op het opbouwen van materialen vanaf de atomische of moleculaire schaal. Dit kan door middel van technieken zoals chemische dampdepositie (CVD), waarbij precursoren gecontroleerd op een substraat worden afgezet en vervolgens thermisch worden geanalyseerd om de gewenste 2D-structuur te bereiken. Deze methode kan leiden tot materiaal van hoge kwaliteit, maar vereist vaak strenge gecontroleerde omgevingen, zoals ultrahoog vacuüm, om te voorkomen dat er onzuiverheden in het materiaal komen.

De keuze van de synthese methode is afhankelijk van de specifieke vereisten van het uiteindelijke materiaal. Voor toepassingen waarbij nauwkeurige controle over de bandgap en andere elektronische eigenschappen nodig is, kunnen bottom-up technieken de voorkeur krijgen. Bovendien zijn er ook technieken zoals mechanische exfoliatie (ME), waarbij bulkmaterialen worden afgespleten om ultradunne lagen te verkrijgen. Dit kan een kosteneffectieve manier zijn om 2D-materialen in kleinere hoeveelheden te produceren, hoewel het vaak niet schaalbaar is voor industriële toepassingen.

Een andere veelbelovende methode is vloeistof-fase-exfoliatie (LPE), waarmee bulk kristallen in dunne 2D-schalen worden gespleten. Deze techniek is eenvoudiger schaalbaar dan sommige andere methoden en biedt ook mogelijkheden voor de productie van grotere hoeveelheden materiaal. Hydrothermale synthese, waarbij materiaal wordt gekweekt in een waterige oplossing onder hoge druk en temperatuur, is een andere populaire aanpak die zich heeft bewezen in de productie van 2D-materialen.

Een van de grootste voordelen van het gebruik van 2D SCM’s is de mogelijkheid om de elektronische eigenschappen van het materiaal af te stemmen door middel van verschillende technieken. Dit kan onder andere worden bereikt door het toevoegen van externe spanningen, doping of het combineren van verschillende materialen om heterostructuren te vormen. Het aanpassen van de bandgap door middel van deze methoden maakt het mogelijk om 2D-materialen te gebruiken voor verschillende toepassingen, van fotodetectoren tot energieopslag en zelfs opto-elektronische apparaten.

Hoewel de synthese van 2D SCM’s veelbelovend is, zijn er ook aanzienlijke uitdagingen. Het beheersen van de groei van 2D-materialen op een manier die zowel de gewenste eigenschappen levert als industrieel schaalbaar is, blijft moeilijk. De aanwezigheid van defecten, onzuiverheden of inconsistenties in de structuur kan de prestaties van het materiaal negatief beïnvloeden. Onderzoekers werken daarom continu aan het verbeteren van de technieken om deze problemen te overwinnen en de efficiëntie van de productie te verhogen.

Het is ook belangrijk om de unieke eigenschappen van 2D-materialen te begrijpen en te waarderen. De atomaire dikte van deze materialen maakt ze niet alleen geschikt voor toepassingen in de elektronica, maar ook voor opto-elektronische toepassingen zoals fotodetectoren, waarin de hoge gevoeligheid van het materiaal voor licht wordt benut. Het vermogen om deze materialen te manipuleren en af te stemmen op specifieke toepassingen zal in de toekomst waarschijnlijk bijdragen aan de ontwikkeling van een breed scala aan nieuwe technologieën, van snellere computers tot geavanceerde sensoren.

Er zijn echter nog steeds veel onbeantwoorde vragen en onontdekte mogelijkheden voor 2D SCM’s. De doorbraken in het synthetiseren van deze materialen zullen waarschijnlijk de basis vormen voor veel van de technologische innovaties van de komende decennia. De voortdurende vooruitgang in de materialenwetenschappen zal het mogelijk maken om 2D SCM’s steeds nauwkeuriger af te stemmen op de vereisten van specifieke toepassingen en zal daarmee de weg vrijmaken voor hun bredere toepassing in de industrie.

Welke eigenschappen maken 2D halfgeleiders geschikt voor geavanceerde elektronische en opto-elektronische toepassingen?

De afgelopen jaren hebben 2D-materialen binnen de wetenschappelijke gemeenschap grote belangstelling gekregen, waarbij grafeen nog steeds de vooraanstaande rol speelt. Echter, een breed scala aan andere 2D halfgeleidende materialen, zoals overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s), hexagonaal boornitride (h-BN) en zwart fosfor (BP), heeft het onderzoeksveld aanzienlijk verbreed. Deze materialen bieden uitzonderlijke mogelijkheden voor innovaties in elektronica en opto-elektronica dankzij hun hoge elektronenmobiliteit, geschikte bandgap, effectieve lichtabsorptie en indrukwekkende fotoresponsiviteit.

Traditionele fotodetectoren zijn gebaseerd op het principe van fotogeleiding, maar recente ontwikkelingen tonen aan dat 2D-materialen een revolutie kunnen veroorzaken in fotodetectietechnologie. Grafeen absorbeert een breed spectrum van lichtgolflengtes, van ultraviolet tot terahertz, maar kampt met beperkingen zoals korte levensduur van foto-geëxciteerde dragers en lage absorptie-efficiëntie. Bovendien leidt het ontbreken van een bandgap in zuiver grafeen tot een sterke dark current, waardoor het minder geschikt is voor gevoelige fotodetectoren.

Daarentegen hebben semiconducterende TMDC’s zoals WS₂, WSe₂, MoS₂ en MoTe₂ uitstekende optische en elektrische eigenschappen met een breed scala aan bandgaps, variërend van minder dan 1 eV tot boven de 2,5 eV. Deze eigenschappen maken ze veelbelovend als bouwstenen voor gevoelige fotodetectoren, hoewel hun hoge bandgaps het detecteren van infrarood licht beperken. Zwart fosfor, met een directe bandgap van circa 1,5 eV in monolaagvorm en 0,3 eV in bulkvorm, is een sterke kandidaat voor toepassingen in het nabij- en midden-infrarode spectrum, maar vertoont een zwakke respons op zichtbaar licht. Onderzoekers hebben getracht deze beperking te overwinnen door heterojuncties te creëren tussen BP en MoS₂, al blijft het consistent realiseren van hoge fotoresponsiviteit hierbij een uitdaging, vooral omdat slechts monolaag en bilagige MoS₂ een directe bandgap bezitten, essentieel voor effectieve licht-materie-interactie.

Een materiaal dat hieruit naar voren komt als veelbelovende oplossing is indiumselenide (InSe). 2D InSe combineert een hoge ladingsdrager-mobiliteit met een lage effectieve elektronenmassa en brede optische absorptie. Fotodetectoren op basis van InSe vertonen uitzonderlijke prestaties, met een breed spectrum van 400 tot 1000 nm, een hoge fotoresponsiviteit tot 10⁵ A/W bij 633 nm en snelle responstijden van slechts enkele microseconden. Dit maakt InSe uitermate geschikt voor breedbandige en snelle fotodetectie.

Ook de ontwikkelingen in 2D halfgeleiderlasers zijn indrukwekkend. Door gebruik te maken van TMDC’s in diverse configuraties zijn ultrasnelle, laagdrempelige lasers gerealiseerd, zowel bij lage temperaturen als bij kamertemperatuur. Deze lasers maken gebruik van fotonische kristal nanokaviteiten, microdisk resonatoren en gekoppelde microcaviteiten en demonstreren de potentie van 2D halfgeleiders in toepassingen variërend van traditionele optische communicatie tot geavanceerde fotonische systemen.

Een recente studie illustreert het potentieel van heterojuncties door een p–n diode te creëren van n-type WS₂ en p-type BP. Onder belichting met licht van 600 nm toont dit apparaat een korte-sluitstroom van 0,6 µA en een open-circuitspanning van 0,35 V bij kamertemperatuur. De fotoresponsiviteit van 500 mA/W en een externe kwantumefficiëntie (EQE) van 103% overtreffen eerdere heterojuncties van BP aanzienlijk. Deze prestaties worden verklaard door de effectieve generatie en scheiding van elektron-gatparen aan de interface, wat leidt tot dipoolvorming en verbeterde fotodetectie. Het apparaat vertoont bovendien stabiel fotocurrent schakelen bij opeenvolgende lichtaan- en uitschakelingen, wat wijst op de toepasbaarheid als fotoschakelaar.

Elementaire 2D materialen vertonen daarnaast eigenschappen zoals hoge electron- en hole-mobiliteit, uitstekende ON/OFF-verhoudingen, topologische isolerende eigenschappen, flexibiliteit en verhoogde gevoeligheid voor adsorptie van moleculen. Deze eigenschappen zijn fundamenteel voor de ontwikkeling van geavanceerde FET’s (veld-effecttransistors) die onder andere als biosensoren worden ingezet. Bijvoorbeeld, recente biosensoren gebaseerd op MoSe₂ zijn succesvol ingezet voor de detectie van streptavidine onder stabiele bias- en poortspanningen, waarbij specifieke receptor-moleculen de gevoeligheid en selectiviteit waarborgen.

Het is cruciaal voor lezers te begrijpen dat de prestaties van 2D halfgeleiders niet alleen afhankelijk zijn van intrinsieke materiaaleigenschappen, maar ook sterk beïnvloed worden door het ontwerp van heterostructuren, de laagdikte, en de mate van controle over interface-kwaliteit. Bovendien vraagt het integreren van deze materialen in praktische toepassingen aandacht voor compatibiliteit met bestaande technologieën, stabiliteit onder operationele omstandigheden, en schaalbaarheid van productie. De complexiteit van elektronische en opto-elektronische processen in 2D systemen vereist een multidisciplinaire benadering waarbij materiaalkunde, kwantumelektronica en nanofabricagietechnieken nauw verweven zijn. Zo wordt pas volledig duidelijk hoe deze nieuwe klasse van materialen het toekomstig technologische landschap kan hervormen.

Wat zijn de recente doorbraken in 2D-materialen en hun toepassingen in de telecommunicatie en elektronica?

2D-materialen vertegenwoordigen een van de meest opwindende ontwikkelingen in de materiaalwetenschappen. Vanwege hun uitzonderlijke opto-elektronische eigenschappen en de unieke mechanische eigenschappen die voortkomen uit hun dunne afmetingen, bevinden deze materialen zich aan de voorhoede van de wetenschap. De mogelijkheid om 2D-materialen laag voor laag te ontwikkelen, heeft de weg vrijgemaakt voor tal van nieuwe toepassingen, van elektrische tot optische en fotonische systemen. Deze materialen bieden veelbelovende vooruitzichten voor de ontwikkeling van nieuwe, multifunctionele technologieën, waarbij de unieke eigenschappen van deze materialen optimaal kunnen worden benut.

De beperking van de beweging van deze materialen buiten het vlak van hun structuur speelt een cruciale rol in hun unieke eigenschappen. Dit leidt tot een gedraging die deze materialen onderscheidt van traditionele, driedimensionale materialen. Ondanks dat de toepassingen van 2D-materialen op verschillende gebieden zoals elektronica, optica en telecommunicatie nog in een vroeg stadium verkeren, moeten de eigenschappen die voortvloeien uit deze beperkingen zorgvuldig worden benaderd en verder worden onderzocht.

Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om 2D-materialen te synthetiseren, waarvan chemische dampdepositie (CVD) een van de meest gangbare is. CVD maakt het mogelijk om grote oppervlakten van hoogwaardige 2D-materialen te creëren en biedt daarmee de mogelijkheid om heterojuncties van 2D-materialen te ontwikkelen. Daarnaast zijn er andere technieken zoals mechanische exfoliatie en hydrothermische methoden, die ook effectief zijn bij de productie van 2D-materialen.

De bekendste en waarschijnlijk de meest onderzochte van deze materialen is grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatstructuur. Grafeen vertoont opmerkelijke eigenschappen, zoals een uitstekende thermische geleidbaarheid en elektronentransportcapaciteit. Echter, het ontbreken van een bandgap, wat het moeilijk maakt om veldeffecttransistoren in digitale technologie te schakelen, vormt een beperking bij het gebruik van grafeen in sommige elektronische toepassingen.

Toch zijn er verschillende andere interessante 2D-materialen die onderzocht worden voor verschillende toepassingen. Hexagonaal boornitride (h-BN), metalen chalcogeniden, fosforene en MXenen behoren tot deze materialen, die zich onderscheiden door hun verschillende opto-elektronische en mechanische eigenschappen. Het integreren van deze materialen in elektronische systemen, bijvoorbeeld door grafeen als geleider, h-BN als isolator en overgangsmetaaldichalcogeniden als halfgeleider te gebruiken, is een veelbelovende onderzoeksrichting.

Telecommunicatiesystemen en elektrische schakelingen zouden ook profiteren van de integratie van 2D-materialen. Ze bieden de mogelijkheid om miniaturisatie van componenten te combineren met verbeterde prestaties. In systemen voor communicatie zijn niet-reciproke passieve elementen zoals isolatoren, circulators en schakelaars essentieel. Deze elementen spelen een cruciale rol in geïntegreerde circuits door elektromagnetische signalen te sturen en te isoleren, wat ze bijzonder belangrijk maakt in microgolfsystemen en voor de ontwikkeling van terahertztechnologieën (THz).

De terahertzfrequentiezone wordt beschouwd als het laatste onbekende gebied van niet-ioniserende straling in het elektromagnetische spectrum. Het ontbreken van voldoende technologische vooruitgang op dit gebied maakt het tot een uitdaging om nieuwe toepassingen te ontwikkelen. 2D-materialen bieden echter veelbelovende mogelijkheden voor THz-innovaties, vooral in de vorm van zeer efficiënte en flexibele componenten. Het gebruik van grafeen in deze toepassingen is bijzonder interessant vanwege de unieke eigenschappen van oppervlakteplasmon-polaritonen (SPP), die kunnen worden aangepast door elektrische en magnetische velden. Deze eigenschappen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe fotonische apparaten en nanodevices.

De verkenning van grafeen in fotonische circuits, bijvoorbeeld in de vorm van energieverdelers die werken in verschillende THz-domeinen, toont de veelzijdigheid en het potentieel van 2D-materialen aan. Dit soort toepassingen kan de weg banen voor nieuwe communicatietechnologieën die werken op veel hogere frequenties dan de huidige systemen.

In de toekomst zullen de integratie van verschillende 2D-materialen in een enkele, multifunctionele structuur en de verdere ontwikkeling van deze materialen voor specifieke toepassingen waarschijnlijk leiden tot doorbraken in zowel de elektronische als fotonische technologie. De kennis die we nu opbouwen over de unieke eigenschappen van 2D-materialen zal ongetwijfeld de basis leggen voor een nieuwe generatie van geavanceerde materialen en technologieën.