Hur kan solenergisystem förbättras med hjälp av 2D halvledarmaterial?

Flera framsteg inom solenergi och energilagring har på senare år lett till intressanta nya alternativ till traditionella energilagringssystem. I synnerhet har solenergi-laddbara system som solcellsladdade superkapacitorer och foto-laddningsbara batterier visat sig vara lovande teknologier för framtidens energiutmaningar. Genom att använda 2D halvledarmaterial, särskilt de som har unika optiska och elektriska egenskaper, har forskare upptäckt nya sätt att förbättra både effektiviteten och stabiliteten hos dessa system.

En av de mest framstående teknologierna är Li–O2-batterier, som består av en katod och en fotoelektrod tillverkad av g-C3N4 på kolpapper. Denna konstruktion har visat sig ha en mycket låg laddningsspänning på endast 1,96 V, vilket resulterar i en negativ överpotential och därmed potentiellt längre livslängd och bättre prestanda för laddning och urladdning. Fördelarna med sådana system är tydliga: inte bara presterar de bra under cykling av laddning och urladdning, utan de har också potential att minska kostnaderna för lagring och distribution av solenergi.

För att ytterligare förbättra solenergiladdningsbara system är det viktigt att parallellt med denna tekniska utveckling fokusera på grundläggande forskning och utforska ännu outvecklade områden för nya material och innovativa enhetskonfigurationer. Dessa framsteg kan potentiellt leda till betydande teknologiska genombrott, vilket öppnar upp för mer hållbara och effektiva energilösningar på lång sikt.

För att få en mer heltäckande förståelse är det avgörande att tänka på det globala sammanhanget i vilket dessa teknologier utvecklas. Solenergisystem, särskilt de som involverar avancerade material som 2D halvledare, är inte bara en teknisk lösning utan en del av en större hållbar utvecklingsagenda. För att dessa system ska få maximal effekt måste de integreras i bredare samhälls- och energiomställningar, där politiska beslut, ekonomiska incitament och social acceptans spelar en stor roll.

Vad är neuromorfisk datorbehandling och dess potentiella tillämpningar?

Neuromorfisk datorbehandling har framträtt som en lovande lösning på de växande beräkningsutmaningarna som uppstår från exponentiell tillväxt inom områden som artificiell intelligens, maskininlärning, stora data och Internet of Things. De största problemen ligger i den fysiska separationen mellan processorer och lagringsenheter, vilket begränsar hastigheten för dataoperationer och leder till överdriven energiförbrukning. Neuromorfisk datorbehandling inspireras av de funktioner som människans hjärna har utvecklat för att bearbeta stora mängder information på ett effektivt sätt, samtidigt som den upprätthåller en låg energiförbrukning. Den mänskliga hjärnan är anmärkningsvärt kapabel att bearbeta information samtidigt, med energiförbrukning som inte överskrider 20 W.

En sådan synaptisk enhet är den ferroelectriska fälteffekttransistoren (Fe-FET), som är kapabel att efterlikna de lärande och minnesfunktioner som ses i biologiska synapser. Genom att justera förhållandet mellan upp- och nedpolarisering i ferroelectriska material kan Fe-FETs moduleras för att skapa flera konduktansnivåer som är icke-flyktiga och beroende av tidigare tillstånd, vilket gör det möjligt för dessa enheter att emulera synaptisk plastisitet. Ett framgångsrikt exempel på denna teknik är den 2D Fe-FET-enhet som Chen et al. har utvecklat, som imiterar plasticiteten hos biologiska synapser och gör det möjligt att lagra och bearbeta information på ett energieffektivt sätt.

I ett bredare perspektiv kan dessa framsteg också ha stor betydelse för utvecklingen av nästa generations datorsystem och artificiell intelligens, där prestanda och energieffektivitet är avgörande för framgång. I framtiden kan neuromorfisk datorbehandling revolutionera allt från maskininlärning till robotteknik och skapa system som inte bara är snabbare och mer energieffektiva, utan också mer intelligenta och anpassningsbara.

En annan intressant dimension av detta område är kopplingen mellan ferroelectriska material och spintronik. Spintronik baseras på manipuleringen av elektroner med upp- och nedspinn, och ferroelectriska material, särskilt i tvådimensionella strukturer, har visat sig kunna påverka och kontrollera denna spinnpolarisation. Genom att utnyttja fenomen som Rashba-effekten, där en elektrisk fältpolarisation kan påverka spinn-orbitkopplingen, kan man utveckla nya typer av spintroniska enheter som är både elektriskt styrbara och effektiva. Dessa material och teknologier kan öppna dörrar för ännu snabbare och mer kraftfulla datorer som utnyttjar spin som en ytterligare parameter för informationsbehandling.

Valleytronik, som handlar om att manipulera elektronernas "dalar" i deras elektroniska strukturer, är en annan lovande teknologi som kan dra nytta av ferroelectriska material. Genom att utnyttja fält som bryter symmetrin i dessa material, kan man skapa system som kontrollerar elektronernas vallypolarisering. Detta kan få tillämpningar inom både optoelektronik och kvantdatorer, där precisa kontroller av elektronens tillstånd är avgörande för prestanda och funktionalitet.

För att verkligen förstå potentialen i neuromorfisk datorbehandling och relaterade teknologier måste vi också beakta de utmaningar som fortfarande finns i forskning och utveckling. Trots de teoretiska framstegen och de lovande experimentella resultaten, är observationer av stabil spontant polarisation i ultratunna tvådimensionella material fortfarande ett problem som måste lösas. Vidare behövs mer utförliga experiment för att validera de teoretiska beräkningarna och för att hitta de bästa materialen och teknikerna för att implementera neuromorfiska system i praktiken.

Hur påverkar övergångsmetall-dikalkogenider memristorer och deras prestanda?

Övergångsmetall-dikalkogenider (TMDs), med den kemiska formeln MX2 (där M representerar en övergångsmetall som Mo, W eller Hf, och X är ett kalkogenatomm S, Se eller Te), är de mest studerade 2D-halvledarmaterialen. TMDs har en typisk sandwichetsstruktur på atomnivå där M-atomerna är inneslutna mellan två lager av X-atomer som är starkt bundna med kovalenta bindningar. De flesta TMDs existerar i 2H-fas, vilken är både halvledande och termodynamiskt stabil. Dessa material har ett stort justerbart bandgap och hög bärarmobilitet, vilket gör dem särskilt intressanta för användning inom elektronik och optoelektronik.

Men den laterala strukturen är opraktisk för memristorer, eftersom icke-flyktig växling tidigare ansågs vara svår att skala ned till sub-nanometerstorlekar på grund av läckströmningar. År 2018 rapporterade Ge et al. NVRS-beteende för första gången i vertikala enheter av monolager-TMD [4]. Deras enhetsstruktur visade ett högt förhållande mellan på/av (över 104) och inga elektrofomrande processer observerades, vilket ofta krävs för att initiera en mjuk dielektrisk sammanbrott i MO-memristorer för att skapa en ledande filament.

En annan viktig upptäckt inom TMD-memristorer kom från Hus et al., som undersökte RS-mekanismen för Au/MoS2/Au-memristorer 2021. Deras forskning avslöjade att svavelvakanser, de vanligaste gitterdefekterna i MoS2, hade ett direkt samband med RS-beteendet och absorberingen av metalladatomar. Eftersom MoS2:s lagerstruktur ger en skarp och ren gränsyta mellan elektroderna förhindras överdrivna läckströmmar, även i närvaro av vakansdefekter.

Förutom TMD-memristorer baserade på defektdominerade egenskaper, har andra typer av MoS2-memristorer också utvecklats genom dopning, interkalering eller andra metoder. Zhu et al. rapporterade en planär strukturerad Au/LixMoS2/Au-memristor, där en hög koncentration av Li+ -joner användes för att inducera fasskift i MoS2 [14]. Genom att applicera elektriska fält kan Li+ -joner omfördela sig och leda till resistansändringar i enheten. Andra studier har också visat att fotomemristorer baserade på MoS2-nanosfärer kan styras genom polariseringen av dessa sfärer. Dessa memristorer använder oxidation för att uppnå ultratunna skiktsväxlingar, vilket minskar energiförbrukningen och växlingsvariationerna.

Det är också intressant att undersöka användningen av van der Waals (vdW) heterostrukturer som ett sätt att utöka egenskaperna hos 2D-material. Zhang et al. förberedde en ultratunn 2D WS2/MoS2-heterostrukturmemristor, vilken uppnådde ett högt på/av-förhållande på upp till 104 och en förlängd hållbarhet med mer än 120 växlingscykler [18]. Deras forskning visade att RS-beteendet i denna heterostruktur huvudsakligen orsakades av mild bandmodulering under applicerade spänningar, vilket förhindrade materialnedbrytning under växlingsprocessen.

I den senaste utvecklingen har ReX2-material, som ReS2 och ReSe2, dragit stor uppmärksamhet inom mikroelektroniska enheter, fotoelektrisk detektion och energilagring. Dessa kristaller, som har låg symmetri och stark anisotropi, leder till nya nanophenomen. Memristorer baserade på ReS2 har visat stor enhetlighet i växlingsbeteende utan behov av elektrofiering och kan simulera synaptisk plasticitet, vilket gör dem lovande för neuromorf databehandling.

Sammanfattningsvis visar dessa exempel på TMD-baserade memristorer hur materialens grundläggande strukturella och elektroniska egenskaper, såsom defekter och fasövergångar, kan utnyttjas för att förbättra prestanda inom minnesenheter och neuromorfiska system. Teknologin fortsätter att utvecklas med fokus på att förfina dessa material och förstå deras växlingsmekanismer på djupet. Genom att tillämpa olika modifieringar och designprinciper kan vi förvänta oss att framtida memristorbaserade enheter blir mer effektiva och skalbara.

Vad är de unika optoelektroniska egenskaperna hos 2D TMDC-material och deras potential för framtida tillämpningar?

De 2D-transition metal dichalcogenides (TMDC) har visat sig vara lovande material för en rad optoelektroniska applikationer, tack vare deras mångsidighet och unika elektriska och optiska egenskaper. I denna kontext är det viktigt att förstå hur de olika faserna och strukturerna hos TMDC-materialen påverkar deras funktioner, särskilt deras potential i enhetsapplikationer som transistorer, fotodetektorer och lasrar.

En central aspekt hos TMDC-material är de olika strukturella faserna de kan genomgå. De mest kända faserna för dessa material är 2H, 3R och 1T, som refererar till de olika arrangemangen av atomplanen i deras kristallstruktur. 2H-fasen, som är den termodynamiskt stabila fasen för de flesta TMDC-material, kännetecknas av en ABA-staplingsstruktur, där varje atomplan är orienterat vinkelrätt mot föregående lager. 1T-fasen, som kan förekomma som en metastabil fas, har en ABC-stapling och kan ibland inducera bättre elektriska och optiska egenskaper beroende på materialet och användningsområdet.

Ett av de mest intressanta områdena inom TMDC-material är deras elektriska och optiska bandstruktur. Bulk-MX2-material är ofta indirekta bandgap-semikonduktorer, men när de tunnas ner till ett monolager övergår de till direktbandgap-semikonduktorer, vilket gör dem särskilt attraktiva för optoelektroniska applikationer som fotodetektorer och ljuskällor. Detta innebär att monolager-TMDC-material uppvisar betydligt högre effektivitet i ljusemission och absorption än sina bulk-motsvarigheter. Bandstrukturen hos TMDC-material kan också påverkas av faktorer som atomkomposition, antalet lager och orienteringen av dessa lager. Detta gör det möjligt att skräddarsy egenskaper som fotoluminiscens och exciterad tillståndsövergång, vilket är av stor betydelse för tillverkningen av högpresterande optoelektroniska enheter.

De elektroniska egenskaperna hos TMDC-material kan också förbättras genom användning av plasmoniska nanostrukturer. Genom att kombinera 2D-TMDC-material med sådana nanostrukturer kan man förstärka ljus-materie-interaktioner, vilket ger starkare optiska signaler och ökad effektivitet i till exempel laserapplikationer. En särskild egenskap hos monolager-TMDC är den starka spin-orbitkopplingen, som gör att valensbandet och ledningsbandet delar upp sig vid K-punkten i Brillouin-zonen. Detta resulterar i unika spin-relaterade effekter som kan användas för att manipulera ljus med hjälp av elektriska och magnetiska fält.

Vidare har studier visat att 2D-TMDC-material, såsom WSe2 och WS2, kan användas för att generera singel-foton utsändning vid låga temperaturer. Detta är en kritisk egenskap för kvantkommunikationsenheter och fotoniska kvantprocessorer, där precis kontroll över fotonens emission är nödvändig. Genom att använda Van der Waals heterostrukturer, där olika 2D-material kombineras, har forskare lyckats demonstrera elektriskt driven singel-foton utsändning, vilket har potentiella tillämpningar inom områden som säker kommunikation och kvantdatorer.

Det är också värt att notera att de optoelektroniska egenskaperna hos TMDC-material inte bara påverkas av deras strukturella fas eller antalet lager, utan även av inbyggda defekter. Forskning har visat att defekter i 2D-material ofta kan leda till förbättrade egenskaper, som exempelvis ökad fotoluminiscens eller förbättrad kvanteffektivitet i ljuskällor. Plasmoniska nanostrukturer kan ytterligare förstärka dessa effekter genom att fokusera ljuset på specifika delar av materialet, vilket ger en högre intensitet av den emitterade strålningen.

En annan viktig aspekt av 2D-TMDC-materialens egenskaper är deras förmåga att inducera icke-linjära optiska fenomen som andra harmoniska generationer, mättad absorption och tvåfotonabsorption. Eftersom dessa material är extremt tunna, är deras interaktionslängd för ljus väldigt kort, vilket gör att de är mycket effektiva för att generera högre harmoniska. Detta kan utnyttjas för att skapa enheter som genererar nya frekvenser av ljus med hög effektivitet, vilket är viktigt för applikationer som optiska kommunikationssystem och sensorer.

För att förstå potentialen hos 2D-TMDC-material i framtida tillämpningar är det viktigt att inte bara fokusera på de teoretiska egenskaperna hos dessa material, utan också på hur dessa egenskaper kan anpassas och optimeras för praktiska användningar. Den stora flexibiliteten hos 2D-TMDC-material gör dem till ett lovande alternativ för utvecklingen av framtidens optoelektroniska enheter, och deras användning förväntas växa snabbt i takt med att nya teknologier för tillverkning och materialhantering utvecklas.