Hur 2D-material kan förbättra solenergiomvandling och fotokatalys

2D-material fungerar ofta inte som de primära fotokatalysatorerna eller fotoelektroderna i system för solenergiomvandling. Däremot har dessa material effektivt använts som sensitisatorer, medlare av elektronflöde, samverkande katalysatorer och skyddande beläggningar i samverkan med andra halvledarmaterial (SC). Genom dessa samordnade samarbeten mellan 2D och SC-material i hybrida arkitekturer uppstår synergistiska effekter som förbättrar de elektroniska, optiska och fotoelektrokemiska (PEC) egenskaperna hos 2D/SC-elektroder.

En 2D-struktur erbjuder fyra huvudfördelar i fotokatalys: För det första ger den en mycket stor specifik yta, vilket resulterar i en överflöd av aktiva ytor för katalytiska reaktioner. För det andra har de fotoxiderade hålen och elektronerna kortare transportvägar för att nå ytan och delta i reaktionerna, vilket minskar den oönskade rekombinationen av elektron-hål-par som ofta begränsar effektiviteten hos traditionella 3D-fotokatalysatorer. Tredje fördelen är den förbättrade ledningsförmågan som uppstår tack vare de många ytdefekterna i 2D-materialen, vilket möjliggör effektivare laddningstransport. Slutligen bidrar 2D-material till överlägsna mekaniska egenskaper och hållbarhet, vilket gör dem lämpliga för långsiktiga praktiska tillämpningar i fotokatalytiska processer.

Med tanke på dessa fördelar blir det tydligt att forskningen kring 2D-material har stor potential för utvecklingen av effektiva soldrivna vätebränslegenereringssystem. För att skapa optimala material för dessa tillämpningar behövs djupare insikter i hur de olika 2D-materialens elektroniska och fysikaliska egenskaper kan integreras med halvledare för att förbättra effektiviteten i fotokatalytiska och elektrolytiska processer.

Grafen är ett av de mest undersökta 2D-materialen och har visat sig vara lovande i samband med solenergiomvandling och vattenspridning. Trots sin hydrofoba natur, vilket begränsar dess effektivitet i vattensplittringsreaktioner, fungerar grafen som en elektronacceptor, transportör och medlare när det integreras med halvledarmaterial. Grafenoxid och reducerad grafenoxid (rGO) har specifika egenskaper som gör dem användbara för dessa reaktioner, och deras effektivitet ökas genom att införliva dem i nanostrukturerade halvledare.

Boronitrid (BN) är ett annat 2D-material som är lovande inom solenergiomvandling, trots att dess bandgap på över 5 eV gör det olämpligt som fotokatalysator. Genom att manipulera dess egenskaper, exempelvis genom dopning och ytfunktionalisering, kan det kombineras med andra material som titandioxid (TiO2) och volframtrioxid (WO3) för att skapa effektiva fotokatalytiska system. Hexagonalt boronitrid (h-BN) är särskilt intressant för fotokatalytiska och fotoelektrokemiska tillämpningar, tack vare dess höga termiska stabilitet, ledningsförmåga och mekaniska hållfasthet.

Endtext

Hur vdW-krafter påverkar tvådimensionella heterostrukturer och deras tillämpningar

De van der Waals (vdW) krafterna mellan lager är avgörande för att bibehålla integriteten i strukturer som består av tvådimensionella material. Eftersom dessa krafter är svaga, möjliggör de en sammansättning av olika material utan att kräva starka kemiska bindningar. Den svaga interaktionen gör det möjligt för lagren att bibehålla en relativ flexibilitet, vilket resulterar i skarpa gränssnitt och bevarar de individuella egenskaperna hos varje material. Dessa svaga vdW-krafter underlättar också anpassningen av kristallgitter mellan staplade material, vilket är avgörande för att uppnå önskade elektroniska bandjusteringar. En korrekt gitteranpassning är nödvändig för att uppnå effektiv laddningstransport och separation, vilket öppnar dörren för nya elektroniska och optoelektroniska tillämpningar.

Homostrukturer, å andra sidan, innebär att flera lager av samma 2D-halvledarmaterial staplas ovanpå varandra. Detta resulterar i ett upprepat mönster av identiska lager, där vdW-krafterna återigen spelar en avgörande roll för att stabilisera den vertikala staplingen. De svaga mellanlagerinteraktionerna gör det möjligt för bildandet av regelbundna upprepande mönster, med exakt justering (AB-stapling) eller en specifik rotationsvinkel (AA-stapling) för att skapa olika elektroniska egenskaper.

Lateralt stapling, där 2D-halvledarlager ordnas sida vid sida på ett substrat, bildar en lateral stapel. Egenskaperna hos laterala staplar kan påverkas av mellanlagerinteraktioner och staplingsordning, vilket kan påverka deras elektroniska, optiska och transportegenskaper. Liksom vid vertikal stapling kan laterala staplar kontrolleras för att skapa heterogena strukturer med specifika egenskaper genom att kombinera olika 2D-halvledarmaterial.

TMDCs kristalliserar som lagerföreningar där metallatomer är inbäddade mellan kalkogenatomer med en stökiometri på 1:2. TMDCs med formeln MX2 (M: övergångsmetall; X: kalkogen) har framträtt som framstående material i den post-grafen era. Omkring 40 olika TMDC-föreningar kan identifieras, där de övergångsmetaller som ingår tillhör grupperna 4, 5, 6, 7, 9 och 10 i det periodiska systemet. I kemiska termer är metall- och kalkogenatomer kovalent bundna inom ett lager, och lagren hålls samman av vdW-bindningar. Denna strukturella egenskap gör det möjligt att likna olika typer av TMDC-lager vid atomärt tunna byggblock, likt Lego, som kan staplas vertikalt eller sys lateralt för att konstruera designade strukturer.

Vid vertikal stapling av olika 2D-material bildas vertikala heterostrukturer, medan sammanfogning av lager i plan bildar laterala heterostrukturer. De första experimentella exemplen involverade vertikal stapling av olika 2D-material, uppnådda genom kontrollerad överföring av exfolierade filmer eller genom direkt tillväxt av distinkta TMDCs på förhandsexisterande lager. Trots de initiala svårigheterna i att förbättra tillväxtmetoder för laterala heterostrukturer, gjordes framsteg genom användning av tekniken för kantepitaxi.

Ett annat spännande framsteg är manipulationen av den utanför-plan-symmetrin i monolager av MoSe2 och MoS2, vilket ledde till skapandet av en asymmetrisk Janus MoSSe monolagerstruktur. Denna nya typ av strukturer, där dipolmomenten knutna till olika staplingsorienteringar påverkar mellanlagerinteraktionerna, har visat sig vara lovande för att justera bärartider och förbättra effekten av fotokatalytiska processer. Genom vdW-interaktioner kan vertikala och laterala Janus-heterostrukturer med typ-II bandjustering effektivt separera fria elektroner och hål, vilket ytterligare förbättrar hög-effektiv fotokatalytisk aktivitet.

Endtext

Hur Interlagerinteraktioner Påverkar Mekaniska Egenskaper hos 2D-Semiconductorer

Förekomsten av tvådimensionella halvledarmaterial (2D-SCMs) har lett till en revolution inom materialvetenskapen, och deras exceptionella optiska, elektriska, termiska och mekaniska egenskaper gör dem användbara i en rad applikationer, såsom optoelektronik, fotonik och flexibla elektroniska enheter. Speciellt för 2D-SCMs som MoS2, som används i olika heterostrukturer, har det visats att mekaniska egenskaper som elasticitet och styvhet påverkas av interaktioner mellan skikten i de tvådimensionella strukturerna.

Ett intressant resultat från experiment på MoS2 är att den mekaniska styvheten för CVD-MoS2 är omkring 5% lägre än för exfolierat MoS2, vilket antyder att inflytandet av punktdefekter på de mekaniska egenskaperna är begränsat. När två olika 2D-SCM-monolager staplas via långdistansinteraktioner, bildas heterostrukturer, som har blivit en lovande tillgång för användning i optoelektroniska enheter. Dock har inverkan av interlagerskoppling mellan monolager på de mekaniska egenskaperna inte undersökts tillräckligt. Tidigare studier har använt olika metoder för att undersöka dessa interaktioner, som till exempel att beräkna interlagerskjuvning i Raman-spektra eller använda AFM för att mäta de krafter som krävs för att skjuta ett lager av grafen i sidled.

Metoden som används för att beräkna interlagerinteraktioner i heterostrukturer ger inte alltid exakt information, men det kan vara användbart för att enklare fastställa styrkan i interaktionerna mellan monolager. Eftersom 2D-SCMs är ultratunna och atomiskt plana, anses de vara särskilt lämpliga för användning i mekaniska nanodevice, såsom resonatorer. Dessa resonatorer fungerar genom att utsättas för yttre krafter och kan användas som sensorer för att mäta massor eller krafter. Graphen, tack vare sin höga Young’s modul och låga massa, har visat sig vara en idealisk kandidat för resonatorer, och andra 2D-SCMs har även potential att användas för liknande tillämpningar.

Förutom de mekaniska och optiska egenskaperna är det viktigt att beakta hur defekter påverkar egenskaperna hos dessa material. I heterostrukturer kan defekter förbättra eller försämra interlagersinteraktionerna, vilket i sin tur kan påverka de övergripande mekaniska och elektriska egenskaperna hos materialet. Därför är ytterligare forskning nödvändig för att förstå hur defekter och andra inbyggda strukturer påverkar prestanda och stabilitet.

Trots de imponerande egenskaperna hos 2D-SCMs är det också viktigt att påpeka att stabilitetsproblem fortfarande återstår, särskilt i heterostrukturer där flera material kombineras. En noggrann förståelse av hur dessa material beter sig när de används i praktiska tillämpningar, såsom flexibla och sträckbara enheter, är avgörande för att fullt ut utnyttja deras potential.