Vad är framtiden för 2D halvledarmaterial och deras tillämpningar i elektronik och optoelektronik?

Under de senaste åren har tvådimensionella (2D) halvledarmaterial väckt stort intresse inom den vetenskapliga gemenskapen. Medan grafen klart leder utvecklingen av 2D-material, har andra material såsom transition metal dichalcogenides (TMDCs), hexagonal boronnitrid (h-BN) och svart fosfor (BP) också framträtt, vilket breddar horisonterna för vetenskaplig forskning och tillämpningar. Dessa 2D-kristaller har enorm potential för banbrytande tillämpningar inom elektronik och optoelektronik, vilket beror på deras exceptionella elektronmobilitet, lämpliga bandgap, effektiva ljusabsorption och imponerande fotoresponsivitet. Dessa egenskaper skapar möjligheter för nya och betydande teknologiska framsteg.

Förutom grafen har semikonduktiva TMDCs som WS2, WSe2, MoS2 och MoTe2 visat sig ha utmärkta optiska och elektriska egenskaper. Dessa material betraktas som byggstenar för mycket känsliga fotodetektorer, eftersom de har ett brett spektrum av bandgap, från mindre än 1 eV till över 2,5 eV. Dock är de inte väl lämpade för att detektera infrarött ljus på grund av deras mycket höga bandgap. Svart fosfor, å andra sidan, har ett direkt bandgap på cirka 1,5 eV för monolagerformen och 0,3 eV för bulkformen. Liksom andra 2D-material är BP en stark kandidat för tillämpningar inom optoelektronik, särskilt för det närmaste och mellan-infraröda spektrumet. Men fotodetektorer baserade på BP har en svag respons på synligt ljus på grund av bandgapets karaktär. För att åtgärda detta har forskare försökt skapa en heterojunktion mellan BP och MoS2 för att förbättra responsen på synligt ljus.

Problemet är dock att endast monolager och bilager MoS2 (mycket tunna lager molybdendisulfid) har ett direkt bandgap, vilket är avgörande för effektiv ljusinteraktion, eftersom det gör det lättare för materialet att absorbera och reagera på ljus. Att skapa en stabil och högpresterande heterojunktion mellan BP och mono- eller bilager MoS2 är en stor utmaning. Därför har det blivit allt viktigare att fokusera på material som excellerar inom detta område, som till exempel indiumselenid (InSe).

2D indiumselenid (InSe) har nyligen fått stort intresse för användning inom nanoelektronik och optoelektronik, på grund av dess höga bärarmobilitet, lilla effektiva elektronmassa och breda optiska absorption. Fotodetektorer baserade på InSe har exceptionella prestanda, med ett brett fotoresponsområde (400–1000 nm), stark fotoresponsivitet (upp till 105 A/W vid 633 nm) och snabb responstid (ned till 2 sekunder). Dessa distinkta egenskaper gör InSe till ett lovande material för bredbandiga fotodetektorer med snabb respons.

Forskare har också nyligen demonstrerat dominerande lasrar baserade på enkel- och flerskiktade TMDC:s, genom olika metoder och konfigurationer. Till exempel uppnåddes ultralåg tröskel och kontinuerlig lasning i enkel-lager WSe2 vid temperaturer under 160 K. Vid 10 K uppnåddes lasning i enkel-lager WS2 med en mikrodiskresonator och femtosekundspulslaser. Dessa framsteg i lasrar baserade på 2D-halvledare erbjuder lovande möjligheter för utveckling av en mängd teknologiska tillämpningar.

Den höga prestandan för BP/WS2 heterojunktionerna illustrerar deras betydelse för både elektroniska och optoelektroniska tillämpningar, särskilt när det gäller biosensorer och andra avancerade sensorer.

Elementära 2D-material besitter distinkta och imponerande egenskaper som förväntas revolutionera elektronik och sensorer för kiselbaserade enheter. Många av dessa material har fördelaktiga egenskaper såsom hög elektron- och hålmobilitet, utmärkta ON/OFF-förhållanden, topologiska isolerande egenskaper, flexibilitet och ökad känslighet för adsorberade partiklar, vilket kan förbättra dagens system. Bland de mest lovande är FET-baserade biosensorer, till exempel de som använder MoSe2-material för att detektera streptavidin, vilket erbjuder stor potential för utveckling av nästa generations sensorer och biosensorer för olika tillämpningar.

Hur nya 2D halvledare förbättrar prestanda hos bränsleceller och solceller

Användningen av flytande elektrolyter i bränsleceller medför flera begränsningar, såsom säkerhetsrisker och låg jonmobilitet. Därför har forskare börjat rikta uppmärksamheten mot enkelskikts bränsleceller eller elektrolytfria bränsleceller. I linje med detta koncept designade Ganesh et al. en halvledarkopplingsbränslecell med hjälp av LiCoO2/SnO2 2D halvledarmaterial. För att skapa SnO2-nanopartiklar användes en samprecipitationsmetod, och när dessa nanopartiklar var syntetiserade, kombinerades LiCoO2-pulver och nanopartiklar för att tillverka tunnfilms p-n-junction bränsleceller via DC magnetron sputtring. Denna metod resulterade i nya generationer av fastoxidbränsleceller som har förbättrade materialfunktionaliteter och bränslecellens prestanda. X-ray fotoelektronspektroskopi bekräftade att elektroner överfördes från LiCoO2 till SnO2, vilket intygar bildandet av p-n-junctionen. De olika typerna av bränsleceller, som bulkplanar, bulkheterojunction och tunnfilmsplanar p-n-junction bränsleceller, uppnådde maximala effekttätheter på 0,61, 0,82 och 0,30 W/cm2, respektive.

Forskarna undersökte även heterostrukturella elektrolyter baserade på CeO2/amorf alumina för fasta bränsleceller. Denna komposit hade hög jonledningsförmåga (0,127 S/cm) och uppnådde en maximal effekttäthet på 1017 mW/cm2 vid en låg driftstemperatur på 550°C. En viktig observation var att materialets stora bandgap hindrade elektronledningsförmågan, men de syrebristningar som uppstod i metallooxidkompositen främjade jontransporten och förbättrade bränslecellens prestanda.

Dessa forskningsframsteg är viktiga då de antyder en ny era för utvecklingen av bränsleceller, där fokus ligger på att skapa elektrolytfria eller keramiska celler. Denna utveckling är kopplad till att minska riskerna för kortslutningar och samtidigt förbättra prestanda genom att möjliggöra hög jonledningsförmåga vid lägre driftstemperaturer. Detta skulle kunna ge bränsleceller ett stort potential att möta det växande energibehovet och ge effektivare kraftgenereringsteknologier som inte producerar föroreningar.

På samma sätt är utvecklingen av solceller ett område där 2D-halvledare väcker stort intresse. Solceller, en enhet som omvandlar solens strålning direkt till elektricitet, har funnits sedan 1950-talet, och forskningen har sedan dess varit inriktad på att förbättra omvandlingseffektiviteten. Solceller kan delas in i två huvudkategorier: traditionella solceller och excitoniska solceller (XSCs). Den ökande efterfrågan på energi och behovet av hållbara metoder för att lagra och omvandla energi gör det nödvändigt att utveckla nya material som kan förbättra de fotokemiska egenskaperna hos solceller.

Forskare har identifierat 2D-material, som besitter exotiska elektroniska och optoelektroniska egenskaper, som mycket lovande för att skapa effektiva donor- och acceptormaterial i solceller. För att förbättra prestandan i excitoniska solceller har Wang et al. designat två 2D-strukturer, Sb2TeSe2 monolager, som visade sig vara dynamiskt, termiskt, mekaniskt och kemiskt stabila. Dessa monolager, med ett bandgap på 1,1 eV, absorberar ljus i hela det solarspektrumet och har en hög bärarmobilitet på upp till 300 cm2/Vs. Vidare visade heterojunction solceller baserade på dessa monolager mycket höga effektomvandlingseffektivitet (PCE), upp till 22,5 % i vissa tester.

2D-halvledare, som MoSSe och grafen, har också lockat stor uppmärksamhet på grund av sina unika egenskaper och förmåga att skapa effektiva fotokatalytiska lösningar. Dessa material, med ett halvmetalliskt gap på 0,98 eV, har visat stor effektivitet för att absorbera ljus i det synliga och UV-ljusspektrumet, vilket gör dem till lovande kandidater för fotovoltaiska tillämpningar. Genom att kombinera 2D och 3D perovskite-material, som i de nyligen designade perovskitesolcellerna av Jiang Et al., kan man skapa stabila och effektiva solceller med lång livslängd och hög effektomvandling.