Hur påverkar tvådimensionella halvledarmaterial (2D-SCM) ljusabsorption, optiska egenskaper och elektriska egenskaper?

De tvådimensionella halvledarmaterialen (2D-SCM) har starka ljus-materia-interaktioner, vilket leder till en betydande ljusabsorption inom det synliga spektrumet. Flera studier har visat att 2D-SCM, som MoS2, MoSe2, WS2 och WSe2, tenderar att absorbera mellan 5–10% av det synliga solljuset. Detta beror på kvantfängsel-effekten som medför att excitonenergi i 2D-SCM är betydligt högre än i oorganiska halvledare. Teoretiska studier har visat att excitonbindningsenergierna i TMDs varierar mellan 0,3 och 1,0 eV. Förändringar i bandstrukturerna beroende på tjockleken av 2D-SCM är väl dokumenterade, där en drastisk förändring sker när materialet går från bulk till monolager.

Studier har även undersökt hur fotoluminescensens egenskaper hos 2D-SCM som MoS2 förändras vid kontakt med syre och vatten. En sådan förändring innebär att p-typ dopanter kan förstärka fotoluminescensintensiteten hos MoS2 monolager. För 2D-TMDs som MoS2 och WS2 har man också funnit att deras fotoluminescens förändras med antalet lager – i WS2, till exempel, observerades fotoluminescens som var invers proportionell mot antalet lager. Dessutom visade det sig att defekter i materialet kan förbättra fotoluminescensen, vilket öppnar för potentiella användningar inom optoelektronik och fotodetektorer.

Vidare är fotodetektorer en framstående teknologi inom dagens optoelektroniska enheter. Inom fotodetektion är den interna fotoelektriska effekten en process där inkommande fotoner med tillräcklig energi interagerar med elektroner och främjar dem till ledningsbandet. Kvanteffektiviteten hos en fotodetektor bestäms av förhållandet mellan antalet utsända elektroner och antalet inkommande fotoner. Hos 2D-SCM har TMDs visat sig vara lovande kandidater för fotodetektorer, eftersom de absorberar och emitterar fotoner vid grundläggande bandgap med lovande fotoluminescens och elektroluminescens.

Dessutom har 2D-SCM:s starkt bundna bärartillstånd gjort att de effektivt separerar laddningar och förbättrar känsligheten hos fotodetektorer, vilket gör dem till effektiva sensorer för ljus. Genom att forma heterostrukturer kan de optoelektroniska egenskaperna hos 2D-SCM ytterligare förbättras, vilket innebär att dessa material kan ha en bredare tillämpning inom områden som energisamling och ljusdetektion.

Laserteknologi har också gynnats av icke-linjära optiska egenskaper hos material. Tidigare var enkelväggiga kolnanorör betraktade som det bästa alternativet för laserapplikationer, men deras svårighet att uppnå djupa modulationsdjup har lett till att forskare undersöker 2D-SCM som alternativ. Dessa material har snabbt svarstid, hög linjäritet, breda våglängdsgränser och låg optisk förlust, vilket gör dem till utmärkta kandidater för laserapplikationer.

Ett annat viktigt aspekt är påverkan av yttre spänningar på de elektroniska och optiska egenskaperna hos 2D-SCM. Forskning har visat att när 2D-SCM utsätts för homogen eller icke-homogen strain, kan deras bandgap justeras, vilket leder till förändringar i materialets optiska och elektroniska egenskaper. För exempelvis svart fosfor är både optiska egenskaper och excitonbindningarna direkt proportionella till sträckspänning. Detta kan användas för att utveckla material med anpassningsbara optoelektroniska egenskaper för användning i solpaneler och andra energisystem.

Slutligen är de elektriska egenskaperna hos 2D-SCM avgörande för att utnyttja dem i elektroniska enheter. Den höga rörlighet av laddningsbärare i 2D-SCM, särskilt i jämförelse med deras volymmodeller, gör dem lämpliga för högfrekventa elektroniska apparater som FETs (fälteffekttransistorer). Tidigare har TMD monolager som MoS2 undersökts för användning i FETs, och trots att deras fälteffektmobilitet initialt var låg, har senare forskning visat att monolagers MoS2 har bra prestanda i miljöer med hög toppladdning, vilket förbättrar deras prestanda i transistorer och andra elektroniska apparater.

Det är viktigt att förstå att 2D-SCM:s prestanda och applikationer inte bara beror på deras grundläggande fysik utan också på hur dessa material bearbetas och integreras i enheter. För att nå den fulla potentialen hos 2D-SCM krävs noggranna studier och kontroll av faktorer som lagerstruktur, defekter och externa påfrestningar. Dessa aspekter spelar en avgörande roll i materialens effektivitet och hållbarhet i praktiska tillämpningar.

Vad gör MOS-material användbara för olika teknologiska tillämpningar?

MOS-material (metall-oxid-semikonduktorer) har blivit centrala inom ett brett spektrum av teknologiska områden, från gas- och biosensorer till fotokatalysatorer och solceller. En av de mest anmärkningsvärda egenskaperna hos MOS-material är deras bandgap, vilket avgör deras elektroniska och optiska egenskaper. Bandgapet, ett område där inga elektroniska tillstånd är tillgängliga för elektroner, är en fundamental egenskap för semikonduktorer som styr deras förmåga att konvertera ljus till elektricitet eller delta i kemiska reaktioner.

TiO2 (titanoxid) är en av de mest anpassningsbara material inom denna kategori och är särskilt relevant för solceller. Dess höga stabilitet, icke-toxisk natur och den relativt låga kostnaden har gjort det till ett populärt val. Dessutom erbjuder TiO2 ett optimalt bandgap som gör det effektivt för både solcells- och fotodetektortillämpningar. Genom att justera sammansättningen av MOS-material kan deras känslighet och funktionalitet anpassas för olika tillämpningar. Detta gör MOS till ett mycket flexibelt och kostnadseffektivt alternativ för många olika teknologier.

Ett av de mest lovande användningsområdena för MOS-material är i fotodetektorer, där deras förmåga att detektera ultraviolett ljus är särskilt viktig. MOS-material som NiO, ZnO och IGZO (indium-gallium-zink-oxid) används i sådana applikationer tack vare deras stora bandgap, vilket gör dem känsliga för ljus i den ultravioletta delen av spektrumet. Detta gör att de kan användas i allt från UV-detektering till mer komplexa fototransistorer, som kombinerar material som IGZO och grafen kvantprickar för att ytterligare förbättra ljusabsorptionen.

Vidare visar forskning på att MOS-materials förmåga att justera deras egenskaper inte är begränsad till sammansättningen av materialet, utan kan även innefatta förändringar i kristallstruktur, enhetsdesign och tillverkningsprocesser. Genom att ändra på dessa parametrar kan MOS-material uppnå olika nivåer av känslighet och funktionalitet, vilket ger stor frihet att skräddarsy dem för specifika tillämpningar som gasdetektorer, biosensorer och fotokatalytiska system.

En annan viktig tillämpning för MOS-material är inom området för fotokatalys. Fotokatalys är en process där ljus används för att inducera kemiska reaktioner, ofta för att bryta ned föroreningar eller producera användbara kemikalier. MOS-materials bandgap gör det möjligt att generera elektron-hål-par när de utsätts för ljus, vilket kan starta dessa katalytiska reaktioner. Eftersom MOS-materialen är relativt lämpliga för ljusabsorption och stabila under lång tid, är de ideala för denna typ av tillämpning, särskilt när det gäller miljöskydd och energiproduktion.

Den flexibilitet som MOS-material erbjuder inom syntesmetoder är också en stor fördel. Genom att använda både ång- och vätskefasmetoder kan MOS-material tillverkas effektivt och till en relativt låg kostnad, vilket gör dem attraktiva för storskalig produktion och implementering i olika enheter och system. Det innebär också att de kan anpassas för olika typer av elektroniska enheter, från solceller till transistorer och sensorer.

Sammanfattningsvis är MOS-material ett kraftfullt verktyg inom många moderna teknologiska områden. Deras mångsidighet, höga effektivitet och förmåga att anpassas för olika applikationer gör dem till en lovande lösning för framtida teknologiska utmaningar. Deras potential för att förbättra energiomvandling, detektering och katalytiska processer innebär att vi sannolikt kommer att se ytterligare framsteg och tillämpningar inom områden som förnybar energi, miljöteknik och biomedicin.

Hur 2D halvledarmaterial förändrar elektronik och fotonik: En fördjupning

Den stora genomslagskraften som grafen fick 2004 ledde till omfattande forskning om tvådimensionella halvledarmaterial (2D SCMs). Den växande uppmärksamheten kring 2D-halvledare kan förklaras av de utmaningar som finns i att skapa ett tillräckligt stort bandgap i grafen. Trots sina exceptionella egenskaper saknar grafen ett bandgap, vilket begränsar dess användbarhet i många tillämpningar. 2D SCMs erbjuder dock nya och lovande möjligheter som övervinner denna begränsning och har egenskaper som kan anpassas till specifika användningsområden. Dessa material presterar utmärkt även vid monolagers tjocklek, och deras komplexa bandstrukturer samt heterostrukturer utan gittermatchning öppnar nya vägar för att skräddarsy mekanismer som möter behoven hos olika elektroniska system.

Att ingenjörsdesigna 2D SCMs på nanoskalig nivå erbjuder möjligheter som tidigare var otänkbara för att utveckla nästa generations teknologi. De unika fysiska egenskaper som uppstår vid den minskade dimensionaliteten i dessa system skapar en dynamik som inte ses i material med större volym. Dock krävs det en mer djupgående förståelse för dessa egenskaper för att kunna utnyttja dem på ett effektivt sätt. Att förstå och manipulera de fysiska egenskaperna hos de framväxande 2D-materialen är avgörande för deras effektiva användning i moderna elektroniska enheter. För att kunna tillämpa dessa material i högteknologiska sammanhang krävs det därför en noggrann kontroll av deras egenskaper.

Grafen har länge varit det mest framstående tvådimensionella materialet, men dess begränsade bandgap har medfört att forskningen har lett till utvecklingen av andra 2D-material. Dessa material, som TMDCs (övergångsmetall-dichalkogenider), MXenes, hexagonalt boronitrid (h-BN), fosforen, svart fosfor (BP), germanen och silicen, har öppnat nya dörrar för teknologiska tillämpningar. Dessa material har en struktur som liknar grafens, med en plan toppologi och en extremt tunn dimension bestående av endast ett eller ett fåtal atomlager. Tack vare deras atomtunna tjocklek uppstår specifika egenskaper som skiljer sig avsevärt från de hos deras massiva lamellmaterial. De elektroniska egenskaperna hos elektroner i dessa 2D-plan är ett resultat av kvantkonfinering, där materialens unika struktur spelar en avgörande roll.

För att fördjupa sig ytterligare i 2D SCMs är det viktigt att förstå deras kristallstrukturer. Dessa material har en tendens att bilda olika polymorfer, såsom 1T, 2H och 3R faser, beroende på sammansättningen av atomlager och interaktionerna mellan dem. Återigen, de elektroniska egenskaperna hos dessa material beror på deras atomstruktur och hur de enskilda lagren är staplade och interagerar. För de specifika TMDCs-materialen är det d-bandens elektrontillstånd hos de övergångsmetaller som spelar en central roll för att forma deras elektroniska konfigurationer.

För att få full nytta av dessa avancerade material krävs noggrann kontroll över både den fysiska och kemiska strukturen hos de enskilda lagren samt förståelse för hur dessa lagers samverkan kan påverka den övergripande materialegenskapen. Det är genom denna noggrannhet i design och sammansättning som nästa generationens elektroniska och fotoniska enheter kan skapas.

Hur kan solenergi användas effektivt i energilagrings- och omvandlingssystem?

Trots denna överflöd av energi finns det betydande hinder för att effektivt använda solenergi. En av de största utmaningarna är den intermittenta naturen av solenergi, som innebär att solenergi inte är tillgänglig på natten eller under vintern. För att övervinna dessa hinder har forskare fokuserat på att utveckla solenergi-lagringssystem som gör det möjligt att lagra den genererade solenergin för användning vid senare tillfällen. Solcells-baserade energilagringssystem som solceller, sol-superkondensatorer och foto-rechargeable batterier har framträtt som lovande alternativ till traditionella lagringssystem. Dessa system utnyttjar halvledarmaterial som kan absorbera solenergi och lagra den i form av elektricitet.

Den tunna strukturen och stora ytan hos 2D-material gör dem särskilt lämpliga för att förbättra effektiviteten i solenergiomvandling och lagring. Deras förmåga att anpassa optiska och elektroniska egenskaper gör att de kan användas i en mängd olika optoelektroniska och fotoniska tillämpningar, såsom solceller, lysdioder (LED), fiberoptisk kommunikation och termisk avbildning. Dessa 2D-material ger en bättre prestanda än traditionella material och möjliggör mer effektiv energiomvandling och lagring.

De tre huvudsakliga enheterna som för närvarande är under utveckling och tillämpning inom solenergiomvandling och lagring är solceller, fotosuperkondensatorer och återuppladdningsbara batterier. Solceller, som en av de mest etablerade teknologierna, konverterar direkt solenergi till elektricitet genom fotovoltaiska effekter. Fotosuperkondensatorer och fotoåteruppladdningsbara batterier är nyare teknologier som kombinerar förmågan att både konvertera och lagra solenergi på ett effektivt sätt. Båda systemen utnyttjar fotokatalytiska och elektrokemiska processer för att omvandla solens energi till elektricitet och lagra den för senare användning.

Solceller och solenergilagringssystem står inför några gemensamma utmaningar. Bland dessa finns behovet av material som kan utnyttja en bredare del av solens spektrum, effektiv elektrisk ledningsförmåga och hållbarhet under långvarig användning. Därför är det inte bara viktigt att utveckla nya halvledarmaterial som kan absorbera ljus från hela spektrumet, utan också att säkerställa att dessa material kan bibehålla sina egenskaper över tid och under varierande miljöförhållanden.