Grafen och dess derivat har på senare tid blivit föremål för intensiv forskning inom området termoelektriska material. En ny generation av 2D-material har visat lovande egenskaper för termoelektriska tillämpningar, där grafen särskilt utmärker sig. För att förstå dessa material bättre är det viktigt att belysa hur de bidrar till utvecklingen av både energiutvinning och kylteknik.

En av de mest intressanta aspekterna av grafens termoelektriska egenskaper är dess elektriska och termiska ledningsförmåga. Ab initio beräkningar har visat att den elektroniska bidraget till den termiska ledningsförmågan för grafen kan variera mellan 2 % och 10 %, vilket innebär att grafen inte bara leder elektriskt utan också effektivt transporterar värme. Detta gör grafen till ett intressant material i termoelektriska tillämpningar, där det är viktigt att hantera både elektrisk och termisk energi på ett effektivt sätt.

Det är dock viktigt att förstå hur grafens termiska ledningsförmåga förändras med dopning och strukturella modifieringar. Vid låga temperaturer, under 200 K, dominerar elektron-imperfektion scatterings, vilket påverkar Lorentznumret och den termiska ledningsförmågan. Vid normal temperatur, däremot, är det inelastisk elektron-fonon scattering som tar över. Grafenens termiska ledningsförmåga kan minska avsevärt beroende på materialets struktur och storlek. Experiment har visat att små provstorlekar, mindre än 2 μm, kan minska termisk ledningsförmåga med upp till 50 %. Detta gör det nödvändigt att anpassa grafens strukturella egenskaper för att optimera dess användbarhet i praktiska tillämpningar.

För att hantera detta problem har forskare fokuserat på olika tekniker såsom defektengine- ring, band-engineering och nanostrukturering av grafen. Defekter i grafen kan minska dess termiska ledningsförmåga och förbättra dess termoelektriska prestanda. Till exempel, genom att introducera specifika defekter i grafen kan man minska den termiska ledningsförmågan utan att påverka den elektriska ledningsförmågan i samma grad. Detta kan resultera i högre värden för ZT, en indikator på ett materials termoelektriska effektivitet. Därmed öppnar grafen nya möjligheter för termoelektriska enheter, särskilt när det gäller att utveckla effektiva kylsystem för mikroelektroniska enheter.

Grafenens potential sträcker sig dock bortom kylning och energiutvinning. Flera experiment har visat på framgångsrika integrationer av grafenbaserade termoelektriska enheter i olika tillämpningar, som inkluderar bärbara elektroniska enheter och smarta fönster. Ett exempel på detta är en flexibel termoelektrisk generator baserad på reducerat grafenoxid (rGO), som har visat sig kunna generera en spänning på 57.33 mV vid en temperaturdifferens på 50 K. Denna typ av teknologi är lovande för självgenererande bärbara elektroniska apparater, där både flexibilitet och hög termoelektrisk effektivitet är avgörande.

En annan innovativ applikation är utvecklingen av termoelektriska superkondensatorer, som använder termisk energi för att ladda utan extern strömkälla. Genom att använda grafenoxid-filmer interkalierade med sulfatjoner har det varit möjligt att skapa superkondensatorer som kan omvandla termisk energi till elektricitet med hög effektivitet. Dessa enheter har potentialen att förbättra energiutvinning från avfallsvärme och kan revolutionera hur vi lagrar och använder energi i framtiden.

Förutom grafen finns även transition metal dichalcogenides (TMDCs), en klass av lagerbaserade material, som har visat sig vara mycket lovande inom termoelektriska tillämpningar. Dessa material, som till exempel MoS₂ eller WS₂, kan ge upphov till unika elektriska egenskaper när de skiktas ner till ett enda lager. Dessa egenskaper, tillsammans med möjligheten att justera bandgapet och kontrollera elektroniska tillstånd, gör TMDCs till starka kandidater för nästa generation termoelektriska material.

Sammanfattningsvis har grafen och andra 2D-material potential att inte bara förbättra termoelektriska generatorer, utan också skapa helt nya typer av enheter för bärbar elektronik och energilagring. För att verkligen förstå och utnyttja dessa material i praktiska tillämpningar, måste ytterligare forskning utforska deras långsiktiga stabilitet, tillverkningsbarhet och integration i befintliga teknologiska system. Det är också avgörande att optimera strukturen på molekylär nivå för att maximera deras effektivitet i specifika användningsområden som kylning av nästa generations mikroelektroniska enheter.

Vad gör tvådimensionella ferroelectriska material så lovande för framtidens teknologi?

Tvådimensionella ferroelectriska material har nyligen blivit föremål för intensiv forskning på grund av deras potentiella tillämpningar inom olika tekniska områden. Dessa material har visat sig vara lovande för användning i höghastighets- och lågströmsfälttransistorer (FETs), icke-flyktiga högdensitetsminnen, sensorer och mycket mer. Ferroelectriska material utmärker sig genom sin spontana elektriska polarisering, som kan manipuleras genom att applicera ett externt elektriskt fält. Traditionellt har bulkferroelectriska material varit mycket studerade, men med den pågående strävan att miniaturisera enheter har man börjat minska tjockleken på dessa material. En utmaning uppstår dock när materialets tjocklek närmar sig ett kritiskt värde. Vid denna punkt tenderar den elektriska polariseringen att minska eller försvinna helt på grund av olika fenomen som oskyddad depolariserings-elektrostatisk fält, ytrekonstruktion för att minimera ytenergi, minskad långväga Coulomb-interaktion och elektronisk screening. För att lösa detta problem har forskare fokuserat på lågdimensionella material, särskilt atomärt tunna tvådimensionella (2D) material med fria gränssnitt utan hängande bindningar, vilket gör dem lämpliga för framtida enhetsapplikationer.

Den teknologiska utvecklingen av tvådimensionella ferroelectriska material har också gynnats av framsteg inom tillverkning och karaktäriseringstekniker. Vanliga metoder för tillverkning av 2D ferroelectriska material inkluderar kemisk ångdeposition, fysisk ångdeposition, molekylär stråleepitaxi, mekanisk exfoliering och mer. Karaktärisering av atomärt tunna ferroelectriska material är fortfarande en betydande utmaning inom experimentell forskning. Några av de mest använda karaktäriseringsteknikerna inkluderar piezoelektrisk responskraftmikroskopi (PFM), andra harmoniska generation (SHG), skanningstunnelmikroskopi (STM), transmissions-elektronmikroskopi (TEM) och så vidare. Den ferroelectriska naturen hos ett material kan undersökas genom att mäta piezoelektrisk respons med hjälp av PFM. SHG-mikroskopi utnyttjar andra ordningens icke-linjära optiska processer och det faktum att bristen på centrumsymmetri naturligt leder till förekomsten av SHG i ferroelectriska material. De elektroniska egenskaperna hos materialen kan erhållas genom att använda STM, där en metallspets används för att genomföra en scan medan man upprätthåller ett konstant tunnelström. TEM fungerar genom att utnyttja den grundläggande principen för interaktionen mellan högenergielektroner och individuella atomer.

Det experimentella genombrottet för att observera 2D ferroelectricitet gjordes i föreningen CuInP2S6, som uppvisar en lagerstruktur. Den första observationen av rumstemperatur ferroelectricitet i bulk CuInP2S6 för filmer med tjocklek över 100 nm rapporterades av Belianinov et al. (6). Denna upptäckt katalyserade ytterligare undersökningar om egenskaperna hos 2D ferroelectriska material i deras atomärt tunna tillstånd. Nyare studier har visat på upptäckten av inre rumstemperatur 2D ferroelectricitet i flera material. Några exempel på experimentellt bekräftad 2D ferroelectricitet inkluderar CuInP2S6, SnTe, β-In2Se3, WTe2, 2H-In2Se3, MoTe2 och BA2PbCl4. Liu et al. bekräftade existensen av utplanad polarisering i några lager av CuInP2S6. Ferroelectricitet i 2D SnTe bekräftades också genom användning av STM-teknik, som avslöjade spontana domäner och elektrisk polarisering vid mycket låga temperaturer. Ferroelectricitet har observerats i tunna filmer av β-In2Se3, så tunna som bara tre lager, och även i WTe2.

Dessa upptäckter ger insikter i de fundamentala egenskaperna hos 2D ferroelectriska material, och det finns potential för att utveckla nya typer av elektroniska och optiska enheter baserade på dessa material. Deras förmåga att behålla sin polarisering vid mycket tunna lager öppnar dörrar för en helt ny kategori av applikationer, särskilt i miniatyriserade och högpresterande system. Den växande förståelsen för både tillverkning och karaktärisering gör det möjligt för forskare att fortsätta utveckla och finjustera dessa material för framtida teknologiska tillämpningar, från energilagring och informationslagring till sensor- och miljöteknologier.

Förutom det rent teknologiska intresset för dessa material, är det också viktigt att förstå deras potentiella inverkan på samhället och miljön. 2D ferroelectriska material kan bidra till att minska energiförbrukningen i elektronik och samtidigt förbättra prestanda för framtida enheter. Deras användning i sensorer kan möjliggöra mer exakta och effektiva system för att övervaka och hantera miljöföroreningar eller andra samhällsproblem. Den omfattande användningen av sådana material förväntas också påverka hur vi producerar och konsumerar energi på en global nivå, vilket kan spela en central roll i utvecklingen av hållbar teknologi.

Jak emoce ovlivňují náš čas a výkonnost v práci
Jak efektivně využívat fotografie a technologie pro lepší výsledky ve fotografii
Jak správně analyzovat síly v mechanismu a zvolit vhodné mechanismy pro různé aplikace?
Jak efektivně pracovat s trigonometrickými integrály: Příklady a řešení
Proč je důležité porozumět minulosti, než se vrhneme do neznámé budoucnosti?