Silicene, en tvådimensionell allotrop av kisel, har fått allt större uppmärksamhet i forskningen tack vare sina potentiella tillämpningar inom elektronik och termoelektriska material. Silicene har en rad egenskaper som gör det särskilt intressant för framtida teknologier, även om forskningen fortfarande är i ett tidigt skede. Materialet uppvisar en mycket låg bandgap, vilket gör att det kan modifieras genom dopning för att uppnå elektrisk ledningsförmåga som liknar grafen, men med unika fördelar på grund av dess större atomvikt och mer flexibla interatomära bindningar.

En viktig aspekt som gör silicene särskilt intressant för termoelektromateriel (TE-material) är dess förhållandevis låga värmeledningsförmåga. Detta, tillsammans med den möjligheten att finjustera dess elektriska egenskaper genom dopning, ger silicene en fördel jämfört med grafen för vissa termoelektromaterial, där en låg värmeledningsförmåga är önskvärd. I experimentella studier har silicene visat sig ha hög termisk resistans, vilket innebär att det kan hålla sig effektivt vid omgivningstemperaturer när det används i termoelektriska applikationer.

Silicene nanoribbor, särskilt de med hydrogenerade kanter, har visat sig ge höga termoelektriska prestanda, särskilt när deras bredd och temperatur optimeras. Beräkningar har visat att de teoretiska värdena för termoeffektens merit (ZT) kan nå upp till 4,9 om dopning och temperatur justeras optimalt. För armstols-typ av silicene nanoribbor har prestanda visat sig vara bättre än för zigzag-typ. Det är dessutom tydligt att termoelektriska prestanda har en stark koppling till temperatur. Detta ger ytterligare insikter i hur termoeffektens resultat kan påverkas beroende på strukturella och temperaturberoende faktorer.

För att förtydliga hur silicene och andra tvådimensionella material fungerar i praktiska tillämpningar är det också relevant att undersöka hur deras bandstruktur förändras vid varierande temperaturer och elektriska fält. Silicene har visat sig kunna öppna upp ett stort bandgap när ett elektriskt fält appliceras perpendikulärt mot riktningen för bandgapet, vilket resulterar i en signifikant ökning av Seebeck-koefficienten. Det här är en viktig insikt för framtida termoelektromaterial, särskilt när det gäller att skapa material som fungerar effektivt vid rumstemperatur.

De senaste experimentella framstegen har också visat att penta-silicene, en ny medlem i silicene-familjen, uppvisar anmärkningsvärda elektriska egenskaper på Ag(110) ytor, vilket innebär att detta material kan ha ett stort potential för termoelektromateriel. Beräkningar har visat att penta-silicene har en ZT på 3,4 och 3,0 vid rumstemperatur för hål- och elektron-koncentrationer, vilket gör det till ett mycket lovande material för tillämpningar i framtidens energiomvandlingsteknologier.

Det är dock viktigt att förstå att de teoretiska resultaten ofta inte motsvarar de praktiska tillämpningarna. Den största utmaningen för silicene och andra tvådimensionella material är den förståelse vi har för deras elektroniska och fonon-transportmekanismer. Även om teorier och modeller för hur dessa material beter sig på atomär nivå har utvecklats, är det fortfarande mycket som återstår att förstå, särskilt vad gäller deras gränssnittsegenskaper och hur dessa påverkar termoelektrisk prestanda. Denna kunskap kommer att vara avgörande för att kunna skapa effektiva termoelektriska kompositer och material.

För att kunna utnyttja potentialen i silicene och andra tvådimensionella material måste även svårigheten med att kontrollera dopning under tillverkningen av termoelektromaterial beaktas. En exakt och kontrollerad dopning är nödvändig för att optimera ZT-värden och säkerställa att materialet kan utnyttjas fullt ut. Dessutom har många tvådimensionella material en mycket hög termisk ledningsförmåga jämfört med bulktermomaterial, vilket gör att deras termoelektriska prestanda kan vara lägre än för bulksemiconductorer.

Trots dessa utmaningar finns det ett ökande intresse för att använda tvådimensionella material för flexibla och bärbara elektroniska enheter, där deras elektriska och mekaniska förmågor kan komma till sin rätt i tunna filmkomponenter. Detta öppnar upp nya möjligheter för termoelektromaterial, särskilt för användning i områden som bärbar teknik och miniaturiserade enheter.

Det finns dock en annan viktig aspekt att överväga när man tänker på framtidens termoelektromaterial: hållbarhet och tillgång på råmaterial. De flesta traditionella termoelektromaterial, såsom Bi2Te3, lider av problem med tillgång på råmaterial, där vissa element är sällsynta och dyra. Silicene och andra tvådimensionella material kan potentiellt lösa dessa problem, men deras kommersiella tillämpning är fortfarande långt ifrån verklighet.

Hur MOS-tunnfilmstekniker Formar Framtidens Elektroniska Enheter och Sensorer

Kemiska interaktioner med gasformiga molekyler i ångan sker på substratets yta under olika depositionstekniker. CVD (Chemical Vapor Deposition) refererar till en rad processer, däribland atomlagerdeponering (ALD), CVD vid atmosfärstryck, CVD vid lågt tryck och plasma-assisterad CVD. Denna metod möjliggör storskalig produktion och ger betydande kontroll över morfologi och defekter, vilket främjar bildandet av heterojunktioner. Trots fördelarna är CVD-processen inte utan problem, eftersom framväxten av farliga biprodukter är ett hinder. I vakuumbaserade processer, som sputtering, termisk avdunstning och ALD, avlägsnas materialpartiklar från en målstruktur med hjälp av plasma och deponeras sedan på substratet. Sputterdeponerade filmer ger utmärkt vidhäftning och homogenitet, medan termisk avdunstning och elektronstråleavdunstning har fördelen av minimal materialförbrukning och kan användas för de flesta material. ALD-tekniken skapar en mycket tunn film genom upprepade cykler av tillförsel och sköljning av förklara och reaktanter, vilket gör pinholes och problem med stecköverdrag ovanligt.

När det gäller kostnadseffektivitet och storskalig produktion, särskilt för elektronik med stora ytor, har vätskefasmetoder blivit den mest konkurrenskraftiga metoden för att skapa MOS-tunnfilmer. Lösningarna skapas genom att kombinera metalloxidprekursorer med lämpliga lösningsmedel i förutbestämda proportioner och viskositet. För att förbättra kontrollen över hur prekursorerna löses upp kan olika katalysatorer eller tillsatser införas. Prekursorerna kan vara enkla metaloxider eller kombinationer av acetat, klorid, sulfat och nitrat, som ofta används för att skapa lösningar som liknar kolloidala sol-geler eller MOS-komplex inkapslade av organiska ämnen som alkoxider och karboxylater. Detta underlättar avsättningen genom reaktioner som kondensation eller hydrolys.

Metoder för att skapa MOS-tunnfilmer med hjälp av lösningar, som spin coating, spray coating, bladbeläggning, flexografisk tryckning och bläckstråleskrivning, får allt mer uppmärksamhet. En stor fördel med dessa metoder är deras låga uppvärmningstemperatur, vilket gör dem särskilt fördelaktiga för tillverkning av flexibla och tryckbara enheter. Lösning-baserade IGZO-filmer, till exempel, har framställts vid en härdningstemperatur på 300°C.

MOS-enheter har blivit föremål för stor uppmärksamhet på grund av deras fördelaktiga elektriska egenskaper, som hög elektronmobilitet, kemisk motståndskraft i vätskor, transparens och enkel tillverkning för display- och sensorteknologier. Även om TFTs baserade på oxidskemiska föreningar redan har använts i bakplan för LCD och aktiva matris OLED-displayer, har de ännu inte fått samma uppmärksamhet för andra tillämpningar som minnesenheter och biosensorer.

MOS som tunnfilmstransistorer (TFT) används ofta för att tillverka skärmkomponenter, som LCD och OLED, där IGZO är det vanligaste materialet. MOS-tunnfilmstekniker har flera fördelar: MOS-föreningar är multielementföreningar, vilket gör det möjligt att optimera deras elektriska egenskaper genom att ändra sammansättningen av element, kristallstruktur och andra faktorer. Genom att optimera bärartäthet, kontrollera densiteten av tillstånd och öka bärarmobiliteten kan man öka Seebeck-koefficienten, vilket ger högre prestanda för enheterna.

MOS-material har en hög bandgapenergi, vilket gör att tunnfilmstekniker kan ha låg läckström, hög spänningstolerans och transparens för synligt ljus. Dessutom är MOS-föreningar kemiskt stabila även i atmosfäriska förhållanden, vilket gör att tillverkningsprocessen kan göras enklare. Till exempel räcker det ofta med låga härdningstemperaturer eller sputtring utan behov av uppvärmning till höga temperaturer. Därför är det möjligt att bygga MOS-tunnfilmstransistorer billigt och på stora, flexibla substrat, och med trycktekniker kan enheterna till och med byggas i tredimensionella strukturer. Många företag undersöker nya tillämpningar för MOS-tunnfilmstekniker, som strömförsörjningsenheter, baserat på deras höga mobilitet och höga spänningstolerans.

MOS-tunnfilmstekniker kan också användas för strömförsörjningsenheter, eftersom de kan hantera höga spänningar och har hög bärarmobilitet. För exempelvis högspännings I/O på chip i CMOS-baserad storleksintegration föreslås användningen av en back-end-of-line transistor med n-typ IGZO och p-typ SnO-filmer. Denna teknik skulle kunna fungera som en bro mellan CMOS-logikens låga spänningar och de kringutrustade enheter som fungerar med höga spänningar, och skulle kunna möjliggöra operation vid små funktioner och hög spänning.

MOS-tunnfilmer erbjuder också potentiella tillämpningar inom sensorer, där deras elektriska egenskaper gör dem känsliga för omgivningens förändringar, vilket gör dem användbara för detektering av små förändringar i ledningsförmåga. Flexibla substrat gör det dessutom lättare att använda sensorerna i olika miljöer, och dessa enheter kan tillverkas i stor skala till låg kostnad. MOS-biosensorer, som är anpassade för specifik detektering av biologiska ämnen, har utvecklats och används för att upptäcka cancer, virus, degenerativa hjärnsjukdomar, diabetes och depression.

Den förmåga som MOS-biosensorer har att detektera och analysera spårmängder med hög noggrannhet gör dem viktiga inom medicinsk diagnostik och för miljöövervakning, där behovet av snabb och pålitlig mätning är avgörande. Sensorns selektivitet, känslighet och stabilitet i olika miljöer gör dem till ett värdefullt verktyg för realtidsövervakning och tidig upptäckt av sjukdomar.

Hur 2D-halvledarmaterial förbättrar elektro-kemiska sensorer och gasdetektorer

De senaste åren har utvecklingen av tvådimensionella halvledarmaterial (2D SCM) visat på en revolution inom elektro-kemiska sensorer och gasdetektering. Dessa material, som till exempel grafen och molybdendisulfid (MoS2), har gett upphov till nya teknologier som effektivt hanterar och förbättrar energiöverföring, laddningsseparation och fotokatalytiska processer. Genom att justera antalet lager i dessa material eller kombinera dem på synergistiska sätt med andra nanomaterial, kan deras bandgap och ljusabsorption kontrolleras med hög precision.

En av de mest påtagliga fördelarna med 2D halvledarmaterial är deras ultratunna struktur, vilket minskar migrationsavståndet för laddningsbärare och därigenom minskar rekombinationen av dessa bärare. Detta resulterar i förbättrade elektro-kemiska och fotokatalytiska processer. Dessutom gör den stora specifika ytan det möjligt för reaktanter att adsorberas mer effektivt, vilket förbättrar sensorernas känslighet och prestanda. Den stora kontaktytan mellan elektroden och elektrolyten främjar också interfacial laddningstransfer, vilket ytterligare accelererar elektrokemiska processer.

Genom att använda avancerade tekniker för struktur-, energi- och ytingenjöring kan fotokonversionseffektiviteten hos dessa material förbättras ytterligare. Ett exempel på detta är grafen-analoga kolnitrat (GA-C3N4), som framgångsrikt syntetiserades med en tunnhet på 6–9 atomer och användes som en fotoelektrokemisk sensor för att bestämma Cu2+ koncentrationer i lösningar. Denna teknik, baserad på en Schottky-heterostruktur inom GA-C3N4 nanosheets, underlättade effektiv laddningsseparation och ledde till en förstärkt fotoströmrespons. Detta bekräftade att 2D material inte bara har utmärkt potential för fotokatalytiska tillämpningar, utan även för detektion av tungmetaller och andra små molekyler.

Förutom de fotokatalytiska tillämpningarna är 2D halvledarmaterial också mycket användbara inom gasdetektion. Traditionellt har gasdetektorer baserats på halvledarmaterial som ZnO, men genom att implementera 2D material förbättras sensorernas känslighet och selektivitet. Flera nyare studier har visat att de tunna skikten av 2D material ger en förhöjd interaktion med gasmolekyler, vilket leder till bättre detektering av spårgaser genom förändringar i elektriska egenskaper, såsom ledningsförmåga. Detta kan förbättra sensorernas prestanda dramatiskt när det gäller att detektera gaser som exempelvis kväveoxid (NOx) och metan (CH4).

I sammanhanget av gasdetektering är det också av vikt att förstå gasadsorptionens och desorptionens roll i att förändra sensorns ledningsförmåga. Genom att manipulera struktur och sammansättning hos 2D halvledarmaterial kan man utveckla mycket selektiva gasdetektorer. Dessa sensorer fungerar genom att molekyler adsorberas på materialets yta och leder till en förändring i materialets elektriska ledningsförmåga, vilket ger en kvantitativ indikation på koncentrationen av den detekterade gasen.

Det är viktigt att inte bara fokusera på de fysiska egenskaperna hos dessa material utan också på deras tekniska tillämpningar. Tillämpningen av 2D halvledarmaterial i sensorer och detektorer är fortfarande i ett utvecklingsstadium, och det finns en stor potential att ännu mer effektivt utnyttja dessa material för att skapa sensorer med högre känslighet, snabbare svarstid och bättre selektivitet. Dessa sensorer kan komma att spela en avgörande roll inom områden som miljöövervakning, medicinsk diagnostik och säkerhet, där pålitlig och snabb detektering är avgörande.

Vidare är det också viktigt att förstå att det finns en kontinuerlig utveckling på området. De senaste framstegen inom materialvetenskap, som skapandet av komplexa nanokompositer med grafen och MoS2, öppnar nya möjligheter för detektion av olika små molekyler och tunga metalljoner. Tekniker som att integrera rGO/MoS2-material med guldbeläggningar har också lett till förbättrade fotokemiska och elektrokemiska egenskaper, vilket ytterligare stärker potentialen hos dessa material inom fotoelektrokemiska detektorer.

I slutändan kan 2D halvledarmaterial, genom att förbättra de elektriska och optiska egenskaperna, bidra till en rad praktiska tillämpningar inom detektionssystem, och deras fortsatta utveckling kommer troligen att ha en stor inverkan på framtida sensorteknologier.

Hur ska man välja rätt campingplats för sin husbil?
Hur Metaversen och VR-revolutionerar Utbildning: Från Militärträning till Universitetslaboratorier
Hur kan termiska och elektriska egenskaper hos termoelementmaterial optimeras genom ingenjörskonst?
Hur Archimedes och andra antika ingenjörer formade vetenskapen och tekniken
Hur Fågelskådning Kan Berika Ditt Liv Och Förändra Ditt Perspektiv På Naturen