2D-material, såsom MoS2, MoSe2, WS2 och WSe2, har blivit föremål för intensiv forskning på grund av deras potentiella tillämpningar inom termoelektiska material. Denna grupp material, kända som transition metal dichalcogenides (TMDC), har visat sig ha unika elektriska och termiska egenskaper som kan revolutionera effektiviteten hos termoelement – enheter som omvandlar temperaturdifferenser till elektrisk energi.

Den elektriska egenskapen som gör TMDC till attraktiva termoelement är deras 2D-densitet av tillstånd (DOS), som kan användas för att öka Seebeck-koefficienten, vilket är ett mått på den elektriska spänningen som genereras vid en temperaturgradient. Exfolierade material som MoS2 och MoSe2 har visat sig vara n-typ halvledare, medan WS2 och WSe2 tenderar att vara p-typ halvledare. Detta beror på naturliga fällor som bevarar Fermi-nivån nära lednings- eller valensbandet.

En av de viktigaste fördelarna med TMDC-material är att deras bandstruktur skapar betydande banddegenerering, vilket leder till höga effektfaktorer i tunna lager. Forskningen hittills har visat att MoS2 (n-typ) och WSe2 (p-typ) har särskilt lovande termoelementegenskaper. Exempelvis har de första mätningarna av fototermoelement-effekten på MoS2 visat att ljusabsorption skapar en temperaturgradient i ett monolager, vilket genererar en termovolt som driver en fotoström. Denna effekt kan utnyttjas för att skapa extremt effektiva energigenererande enheter.

Det har visat sig att bilager av MoS2 har en stor Seebeck-koefficient och stark mobilitet i ON-läget. Experiment som mäter Seebeck-koefficienten vid olika temperaturer har visat att elektrisk transport i MoS2-kanalen reducerar partikelrörlighet på grund av räckviddshoppning. CVD (kemisk ångdeposition) MoS2, med högre svavelbrist, har visat sig ha lägre elektrisk ledningsförmåga och därmed inte vara optimalt för termoelektiska applikationer, där både hög elektrisk ledningsförmåga och hög Seebeck-koefficient krävs för ett högt effektfaktor.

Förutom MoS2-materialen, är 2D MXene-material som Mo2TiC2Tx och Nb2CTx också under intensiv studie för termoelektiska tillämpningar. MXene-material, som upptäcktes 2011, har en sammansättning av Mn+1Xn, där M är en övergångsmetall och X är kol eller kväve. Speciellt MXene-material baserade på molybden (Mo), som Mo2TiC2Tx, har visat sig ha hög termopower (>100 V K−1) och hög elektrisk ledningsförmåga. Detta gör dem särskilt användbara för applikationer där värmeavledning och elektrisk energiomvandling är kritiska.

För dessa material tyder experimentella mätningar på att Mo2TiC2Tx har en elektrisk ledningsförmåga på 1380 S cm−1 och en effektfaktor på 309 WmK−2, vilket gör dem mycket konkurrenskraftiga för termoelektiska applikationer. Dessutom, eftersom 2D MXene kan bearbetas i lösning, möjliggör detta skapandet av termoelementnanogeneratorer genom drop-casting-teknik.

En annan intressant 2D-materialkategori är silicene, som har uppmärksammats för sin potential i nästa generations elektronik och fotonik. Silicene har liknande elektriska egenskaper som grafen, men med fördelar som enklare valleypolarisering och förbättrad bandgap-tuning, vilket gör det mer applicerbart för fälttransistorapplikationer. Dessutom är silicene strukturellt stabil vid rumstemperatur, vilket gör det till ett lovande alternativ för rumstemperaturbaserade enheter.

För att verkligen utnyttja dessa material måste man dock förstå och kontrollera deras termiska och elektriska egenskaper på ett mer detaljerat sätt. Forskning på 2D-TMDC och MXene fokuserar för närvarande på att förstå hur dessa material interagerar med phonontransport, som är särskilt anisotropiskt i flerlagermaterial. Detta innebär att även om vissa material som MoS2 har hög inplantermisk ledningsförmåga, kan deras termiska effektivitetsförmåga vara begränsad. En nyckelutmaning för framtida utveckling är att hitta sätt att minska phononledning samtidigt som man bevarar de höga effektfaktorerna som dessa material erbjuder.

Det är också viktigt att förstå att de mycket höga effektfaktorer som vissa 2D-material erbjuder inte alltid är den enda faktorn som avgör effektiviteten i en termoelementenhet. Termoelementens prestanda beror inte bara på materialets elektriska egenskaper utan också på förmågan att kontrollera och optimera både elektriska och termiska transportsystem inom samma enhet.

Hur MoSe2-baserade FET-enheter och van der Waals transistorer förändrar elektronikens landskap

Vid funktionaliseringen av MoSe2-baserade FET-enheter har det visat sig vara en fördelaktig metod att använda stapling av molekyler för att stabilt fästa en receptor på ytan av MoSe2. Detta gör det möjligt att noggrant detektera specifika analyter utan störande faktorer. En ny design, som involverar molekylen pyren–lysin–biotin (PLB), har visat sig vara effektiv i att implementera MoSe2-baserade FET-biosensorer. Denna molekyl, som adderas genom fastfaspeptidsyntes, har visat sig interagera exakt med streptavidin på nivåer av picomolar inom en minut. Resultaten bekräftar att denna metod möjliggör en snabb och noggrann identifiering av målanalyten.

FET-enheten baserad på MoSe2 funktionaliseras med PLB-molekyler och streptavidin fångas genom icke-kovalenta interaktioner, vilket illustreras av överförings- och utmatningskurvor. Elektromagnetiska signaler (Ids) registreras som svar på interaktionen mellan PLB och målanalyten. Detta visar att MoSe2-baserade FET-enheter kan ge exakt mätning i realtid för olika biologiska och kemiska detektioner.

En ytterligare fördjupning i området för van der Waals (vdW) transistorer har nyligen visat hur stapling av bredbandgap, tvådimensionella (2D) halvledarmaterial kan användas för att konstruera bipolära jontransistorer (BJT). En studie har undersökt prestandan hos en vdW BJT-enhet i en gemensam bas-konfiguration, där basen är jordad. Denna konfiguration gör det möjligt att noggrant undersöka enhetens egenskaper och beteende. Experimenten har visat att både emitterströmmen (Ie) och kollektorns ström (Ic) ökar exponentiellt med ökande emitter-baskapacitet (Vbe) och samlar-baskapacitet (Vcb). En intressant observation är att den högsta strömsgain (β) uppnås vid Vbe = 0,5 V och Vcb = 2 V, vilket är en betydande förbättring jämfört med tidigare rapporterade vdW 2D BJT-enheter. Denna överlägsna prestanda kan tillskrivas en ren och restfri gränsyta samt hög laddningstäthet i emitterområdet.

Inom området för energihantering och kraftelektronik har bredbandgap 2D-material som MoSe2, MoS2, och andra transition metal dichalcogenides (TMDs), samt monolager av fosforen (BP) och halvledare som GaN och AlN, visat sig vara mycket lovande. Deras imponerande egenskaper, såsom högre genombrottsspänning, låg läckström, bättre termisk stabilitet och hög rörlighet för bärarmolekyler, gör dessa material särskilt användbara inom elektronik, optoelektronik och sensorteknik. TMDs används till exempel i solceller, fotodetektorer och fototransistorer tack vare deras tunbara bandgap och starka fotoluminiscens.

MoSe2, som har ett direkt bandgap på cirka 1,8 eV och god elektrisk rörlighet på upp till 700 cm²/Vs, är särskilt attraktivt för användning i små och effektiva elektronikkomponenter. Eftersom 2D-material, som MoSe2, inte har ytrester på sin yta och kan minskas till subnanometerskala, kan de förbättra effektiviteten hos halvledarenheter och underlätta deras integration i framtida elektroniska system.

För att bättre förstå de unika egenskaperna hos dessa material, bör läsaren också beakta betydelsen av det atomärt släta ytskiktet hos 2D-material. Till skillnad från traditionella 3D-material som kisel eller germanium, som lider av ytdefekter och inhomogeniteter, gör det atomärt tunna och rena ytskiktet hos 2D-material att de är särskilt användbara för att utveckla elektroniska komponenter på en atomär nivå. Detta är också en förutsättning för att vidareutveckla och miniaturisera elektroniska enheter för att uppfylla de framtida kraven på Moore’s lag.

När det gäller mobila och effektivt styrda elektriska egenskaper är det värt att notera hur olika faktorer, såsom tunnleken på materialet och variationer i elektronernas effektiva massa, påverkar rörligheten. Exempelvis uppvisar InSe-material förträfflig rörlighet (upp till 10 000 cm²/Vs) beroende på tjockleken på materialet, och monolager InSe visar exceptionella elektriska egenskaper med ett bandgap på 2,2 eV. Studier har visat att förändringar i lagertjocklek signifikant påverkar elektriska egenskaper och materialets prestanda.

Sammanfattningsvis representerar MoSe2-baserade FET-enheter och vdW BJT-teknologier en banbrytande utveckling inom elektronik och semikonduktorer. De möjliggör snabbare och mer effektiva enheter för biomedicinsk detektion, energihantering och framtida elektroniska tillämpningar. Det är också avgörande att förstå den atomära strukturen och de mekanismer som driver dessa enheters prestationer, särskilt i relation till deras höga känslighet och miniatyrisering. För framtida tillämpningar kommer den fortsatta forskningen om 2D-material och deras integration i elektronik att vara central för att uppnå ännu mer effektiva och kompakta system.

Vad innebär stacking och elektronisk struktur för tvådimensionella halvledarmaterial?

Stacking-effekten i tvådimensionella (2D) material refererar till hur lager av atomer eller molekyler staplas ovanpå varandra för att bilda ett flerlagerssystem. Denna stapling har en betydande påverkan på materialens elektriska och optiska egenskaper, som ofta skiljer sig avsevärt från de som uppstår i enkla monolager. Specifikt för grafen och andra 2D-material har stacking-strukturer fått stor uppmärksamhet för sina unika egenskaper som kan kontrolleras genom justering av lagertjocklek, orientering och interaktioner mellan lagren.

De elektroniska egenskaperna hos 2D-material kan drastiskt förändras beroende på hur de staplas. I bilagergrafen, till exempel, har forskare visat att bandgapet kan öppnas eller stängas beroende på vilken typ av stacking-ordning som används, som AB eller AA. Vid AB-stapling är de två grafenlagren förskjutna i förhållande till varandra, medan i AA-stapling är lagren exakt i linje med varandra. Dessa små skillnader kan påverka materialets elektriska ledningsförmåga, vilket gör det möjligt att använda dessa material för en rad elektroniska och optoelektroniska tillämpningar.

För att förstå stackningens effekt är det också viktigt att beakta olika sätt att styra elektronernas beteende i dessa system. Till exempel, i van der Waals heterostrukturer som kombinerar olika 2D-material, kan elektronernas överföring och energiöverföring kontrolleras genom att justera mellanlagens strukturer och bindningar. I heterostrukturer som MoS2/WSe2, har det visat sig att de laterala och vertikala strukturerna påverkar laddningens rörlighet och prestanda för optoelektroniska enheter.

Forskning har också visat att man genom att använda metoder som mekanisk eller kemisk separering kan skapa lager med olika elektroniska och optiska egenskaper. Detta gör det möjligt att skapa material med anpassade bandgap, vilket är en viktig parameter för att utveckla halvledare och solcellsteknologier. Detta är särskilt relevant för framtida tillämpningar där styrning av materialets optoelektroniska egenskaper kan ge nya möjligheter inom områden som optiska sensorer, fotodetektorer och högpresterande transistorer.

Dessutom är det viktigt att notera att stacking och elektronisk struktur inte bara påverkar grafen, utan också ett brett spektrum av andra 2D-material, såsom transitionella metallsulfider (TMD), bor nitrid och andra halvledarmaterial. Kombinationen av dessa material i heterostrukturer erbjuder ett stort potential för framtida teknologier, där man kan nyttja de unika egenskaper som kommer från varje enskilt lager.

Vidare är det värt att notera att mekanismerna för hur stacking påverkar de elektroniska egenskaperna kan vara mycket komplexa och beroende av många faktorer, inklusive typ av material, lageravstånd, termisk behandling och elektrisk fältstyrning. Till exempel har forskare identifierat att när lager separeras på atomnivå i vissa material, kan det leda till så kallade ”Mott-insulator”-fenomen där elektronernas lokaliserade tillstånd skapar nya faser av materia som inte kan upprepas i bulkmaterial.

För att verkligen förstå dessa effekter, måste man ta hänsyn till både teoretiska modeller och experimentella observationer. Teknologier som Röntgenfotonelektron spektroskopi (XPS) och scanning tunneling mikroskopi (STM) har varit avgörande för att ge detaljerad insikt i materialens elektroniska strukturer vid atomär nivå. Genom att undersöka de lokala elektroniska egenskaperna hos olika stacking-konfigurationer har forskare kunnat förutsäga och optimera prestanda för nästa generations elektroniska och optoelektroniska enheter.

Det är också viktigt att förstå att medan forskningen inom stacking och elektroniska egenskaper för 2D-material har gjort stora framsteg, finns det fortfarande flera utmaningar. En av de största utmaningarna är att upprätthålla stabilitet och kontroll under tillverkningen och användningen av dessa material. För att ta tillvara på de fulla fördelarna med stacking och heterostrukturer, måste tillverkningsprocesserna vara noggrant kontrollerade, och det krävs ännu mer forskning för att förstå långsiktig prestanda och materialets beteende under olika externa faktorer, som temperatur, tryck och elektriska fält.

Det är också avgörande att förstå vikten av att utveckla effektiva metoder för att tillverka och karakterisera dessa material i större skala. Det har visat sig att vissa metoder för framställning av 2D-material, såsom kemisk ångavsättning (CVD), har stor potential för att skapa stora områden med hög kvalitet, men det finns fortfarande tekniska hinder att övervinna när det gäller att kontrollera lagertjocklek och homogenitet över stora ytor.

Slutligen, för att förstå och tillämpa effekten av stacking i praktiken, måste det finnas en integrering mellan teoretiska studier, experimentella resultat och ingenjörsarbete. Endast genom att föra samman dessa discipliner kan man utveckla nästa generations material och enheter för användning i elektroniska och optoelektroniska tillämpningar, och därmed bana väg för nya teknologier som kan påverka många olika industrier, från elektronik till energiutvinning.

Hur polarisering och fasövergångar påverkar ferroelektriska material

Den elektriska fältet kan beräknas från ekvation 10.1 med hjälp av E = dG/dP. Polariseringen P som funktion av det applicerade elektriska fältet E får en S-form, som visas i figur 10.1. Formeln för kurvan implicerar att omkring P ≈ 0 uppvisar det ferroelektriska materialet en negativ kapacitans, som är proportionell mot lutningen dP/dE. Värdet av det elektriska fältet vid gränsen mellan de regioner där kapacitansen är positiv respektive negativ betecknas som Ec, vilket kan beräknas med hjälp av ekvationen:

dEdP=0,E=Ec\frac{dE}{dP} = 0, \quad E = E_c

Det önskade värdet av Ec är av största vikt för applikationer inom minnesenheter. Ett mindre minnesfönster är kopplat till ett lägre värde av Ec, medan ett större minnesfönster är kopplat till ett högre värde av Ec. Ett högre värde av Ec kräver dock ett större fält för att övergå mellan tillstånden. Även om det kan vara frestande att omvandla djupet på den dubbla välvinkeln (∆EG) till en temperatursskala för att uppskatta fasövergångstemperaturen från para- till ferroelektrisk fas, leder det generellt till en underskattning. En bättre uppskattning fås genom att lägga till en dipol-dipol-interaktionsterm till den fria energin:

G=∑(AP2+BP4+CP6)+2∑i,j(ri−rj)2G = \sum \left( A P^2 + B P^4 + C P^6 \right) + 2 \sum_{i,j} (r_i - r_j)^2

Koeficienten D bestäms av skillnaderna i polarisering mellan angränsande enhetsceller. De närmaste dipol-dipol-interaktionerna är de primära faktorerna för fasövergångar och Curie-temperaturen (TC). Ett signifikant värde av dipol-dipol-interaktionerna D innebär att materialen uppvisar ökad motståndskraft mot termiska fluktuationer, vilket resulterar i högre värden på TC. Den kritiska temperaturen TC kan uppskattas från formeln:

KBTC≈D×Ps2K_B T_C \approx D \times P^2_s

där K_B är Boltzmanns konstant. Ferroelektrisk fasövergång är en strukturell fasövergång som ger upphov till spontan polarisering i kristallen. En sådan övergång är vanligtvis relaterad till mjuka fononlägen, vars frekvens minskar onormalt nära övergångspunkten. Struktur X, som har mjukare eller lägre frekventa fononlägen än struktur Y, kan ha högre vibrerande entropi (S) på grund av högre fononoccupancy. Som ett resultat har struktur X lägre fri energi (U − TS) än Y över en viss kritisk temperatur, vilket leder till en fasövergång från Y → X.

Experimentellt kan mjuka fononlägen identifieras genom Raman- och kärnmagnetisk resonansspektroskopi, neutronspredering och andra metoder. Beräkningsmässigt kan man genomföra en liknande analys med hjälp av fonondispersionkurvor som erhållits från ab initio-beräkningar med hjälp av densitetsfunktionell perturbationsteori.

Teorin om vibrerande fri energi för ferroelektriska material kretsar huvudsakligen kring optiska fononer. Eftersom positiva och negativa joner förskjuts i motsatta riktningar, skapar en optisk mode ett lokalt elektriskt fält. När detta fält blir starkare än den elastiska återställande kraften (känd som polarisationskatastrof), genomgår materialet en övergång från para- till ferroelektrisk fas genom en förskjutning av jonernas positioner. Enligt denna teori kan en ferro- till paraelektrisk fasövergång också förklaras genom att betrakta mjukningen av en optisk fononmode. Generellt är en transversell optisk (TO) mode av intresse, då den har lägre frekvens än den longitudinella optiska modusen.

Experimentellt har man observerat att fononfrekvensen för en optisk mode försvinner vid en viss punkt i Brillouin-zonen, vilket kallas för kondensation eller frysningspunkten för fononmode, när övergångstemperaturen Tc närmas från nedan. Den lågfrekventa TO-modusen resulterar i ett högt värde på den statiska dielektriska konstanten ϵ(0)\epsilon(0). Enligt Lyddane-Sachs-Teller-relationen uppfyller frekvenserna för transversella och longitudinella fononer:

ωT2ϵ(∞)=ωL2ϵ(0)\omega_T^2 \epsilon(\infty) = \omega_L^2 \epsilon(0)

Eftersom frekvensen för TO-modusen minskar nära den ferroelektriska fasövergången, ökar den statiska dielektriska konstanten ϵ(0)\epsilon(0). Temperaturberoendet av ϵ(0)∝1/(T−TC)\epsilon(0) \propto 1/(T - T_C) och ωT2∝(T−TC)\omega_T^2 \propto (T - T_C) har observerats experimentellt, vilket ytterligare bekräftar rollen för mjuka TO-modus vid den ferroelektriska fasövergången.

För beräkningsmodellering av ett ferroelektriskt material med hjälp av LGD-fenomenologiska modellen, måste man bestämma den fria energin som en funktion av polarisering från densitetsfunktionella teoribaserade första-principberäkningar. Eftersom DFT kan förutsäga elektronens densitet i grundtillståndet, kan man frestas att definiera bulkpolarisering som:

Pcell=∫ρ(r) drP_{\text{cell}} = \int \rho(r) \, dr

Men eftersom integralen beror på enhetscellens form, är resultatet oklart i ett fast material, där den elektroniska laddningstätheten ρ(r)\rho(r) är en kontinuerlig funktion i rummet. Ett sätt att hantera detta problem är att använda den moderna teorin om polarisering baserat på Berry-phase teorin.

Elektrontätheten uttrycks genom en lokaliserad bas, känd som Wannier-funktionen wn(r)w_n(r), som finns i en enhetscell vid punkt RR i rummet. Den totala polariseringen är en summa av bidrag från alla joner (som fortfarande behandlas som punktladdningar) och elektroner positionerade vid Wannier-centra för de ockuperade Wannier-funktionerna.

Slutligen beräknas den spontana polariseringen som:

ΔP=Ptotfinal−Ptotinitial\Delta P = P_{\text{tot}}^{\text{final}} - P_{\text{tot}}^{\text{initial}}

Där de initiala och slutliga strukturerna har jonpositionerna r0r_0 respektive rfr_f, och vågfunktionerna u0u_0 respektive ufu_f.

En annan kvantitet av intresse är Born-effektivt laddning, som definieras som förhållandet mellan förändringen i polarisering och förändringen i en jons förskjutning. Förekomsten av Born-effektiva laddningar är en standardutdata från ab initio-lattice dynamikberäkningar.

Vidare är piezoelektriska koefficienter, som representerar det elektromechaniska kopplingen, också av stor betydelse i ferroelektriska material. Dessa koefficienter mäts genom att undersöka förändringen i polarisering vid applicering av mekanisk sträckning.

Hur man planerar en oförglömlig RV-resa genom USA:s historiska och natursköna platser
Hur man använder tillgänglighets- och otillgänglighetsattribut i Swift
Hur man beräknar det minsta separationsarbetet för CO2-avskiljning och dess teknologiska konsekvenser
Hur JonDo och webbaserade proxy-lösningar bidrar till anonym surfning
Hur kan vi hantera fenomenet "fake news" i den digitala tidsåldern?