Hur kan 2D-material förbättra termoelektriska enheter och prestanda?

Tillverkningen av högkvalitativa 2D-material i stor skala är fortfarande en av de största utmaningarna inom området för termoelektriska (TE) material. Trots att metoder som CVD (Chemical Vapor Deposition), mekanisk exfoliering, atomlagerdeposition (ALD) och molekylär stråleepitaxi (MBE) har använts framgångsrikt för att producera 2D-material, är det fortfarande svårt att skapa dessa material med en reglerad struktur i större skala. Att överkomma denna utmaning skulle kunna öppna dörren till en mängd nya applikationer inom elektronik, energi och materialvetenskap.

För att uppnå framsteg är det avgörande att förstå och kunna manipulera de fysikaliska egenskaperna hos de olika lagerstrukturerna i 2D-material. Ett centralt område inom forskningen är att kontrollera den elektriska transporten i dessa material genom att justera de elektroniska egenskaperna. I många 2D-material har forskare observerat fenomen som bristande överensstämmelse i det klassiska Mott-förhållandet, vilket öppnar upp nya vägar för att kontrollera Seebeck-koefficienten och öka effektfaktorn i material som grafen.

Specifika material som fosforen och transition metal dichalcogenides (TMDCs) har visat sig ha hög elektronisk effektfaktor, vilket innebär att dessa material har potential att bli mycket effektiva termoelektriska material. För att uppnå hög prestanda krävs det dock en noggrann förståelse av de inhemska defekterna i 2D-material, som har en direkt inverkan på Seebeck-koefficienten och elektrisk ledningsförmåga. Genom att noggrant hantera och fördela dessa punktdefekter kan man förbättra prestandan och effektiviteten hos materialet.

Förutom de klassiska tillämpningarna av 2D-material i termoelektriska enheter, har det också visat sig att bulk-material med 2D-densitet av tillstånd (DOS) och låg värmeledningsförmåga är mycket intressanta. De atomärt rena ytorna hos dessa lagerkompositer erbjuder en plattform för att studera elektroner–fononer, foton–fononer och excitoniska processer i heterostrukturer på nanoskalig nivå, med hjälp av termoelektriska signaturer. Detta kan också ge insikter i magnetiska och kopplade effekter som uppstår på grund av den låga atomdensiteten i dessa material.

Under det senaste decenniet har forskning på termoelektriska material baserade på 2D-lagerstrukturer expanderat, och nya metoder för att förbättra prestandan har visat sig vara lovande. Exempelvis har höggenomsnitts-maskininlärning redan börjat avslöja en enorm bibliotek av material och unik fysik, vilket innebär att många nya spännande upptäckter förväntas inom området. Denna dynamiska forskningsmiljö har också öppnat upp nya vägar för att förstå hur man kan kombinera strukturell ingenjörskonst med elektrisk och termisk transport i material som grafen och andra 2D-lager.

Den ständigt växande användningen av 2D-material inom termoelektriska enheter och teknologier innebär inte bara att vi kan förvänta oss mer energieffektiva enheter, utan det kan också leda till radikala framsteg inom energieffektivitet och hållbar energi. Forskning kring termoelektriska material kommer därför att vara central för den framtida utvecklingen av nästa generations energilösningar och applikationer för att omvandla avfallsvärme till användbar energi.

Vad innebär användningen av 2D-semantiska material i logik- och minneskretsar för framtidens elektroniska enheter?

För att utnyttja fördelarna med 2D-SCM i logikdesign måste dock flera tekniska utmaningar övervinnas. Bland dessa finns bland annat att hantera kontaktmotstånd, grindläckage och oförutsägbarhet, som alla är vanliga problem vid arbete med dessa material. De atomtunna lagren hos 2D-material ger möjligheter till högre densitet och potentiellt snabbare omkopplingstider, men det krävs noggrant övervägande av såväl kretsdesign som materialparametrar för att säkerställa korrekt funktion.

Vidare, när det gäller CMOS-teknologi, erbjuder 2D-material en lovande lösning för att tillverka både n-typ och p-typ transistorer. Genom att välja rätt material och doping kan 2D-material som TMDC (transition metal dichalcogenides) användas för att bygga båda typer av transistorer. Detta möjliggör mer skalbara och högpresterande CMOS-kretsar, särskilt genom att ta hänsyn till lågt motstånd i kontakter och interkonnektioner samt en konsekvent doping av materialet.

Memorikretsar baserade på 2D-SCM ger likaså fördelar som snabbare operation, lägre strömförbrukning och en mer kompakt design. 2D-material kan användas för att skapa högdensitetsminnesenheter där atomtunna material kan ge plats för högre integrering av minneskanaler och funktioner som resistansmodulering och sensorapplikationer. För att möjliggöra denna typ av högpresterande minnesenheter krävs det även att specifika egenskaper hos de 2D-material som används optimeras, som till exempel deras elektriska och optiska egenskaper.

Vid integration av dessa material i elektroniska enheter krävs en noggrant planerad processintegration. Valet av substrat är av största vikt, där material som saffir, kiselkarbid och kiseloxid ofta används för att ge mekaniskt stöd åt de tunna lagren. De vanligaste metoderna för att skapa 2D-material är kemisk ångdeposition (CVD), molekylär strålepitaxi och exfoliering, och varje metod har sina egna specifika fördelar beroende på typen av material och applikation. Men trots deras potential måste materialens långsiktiga stabilitet, som för närvarande är en stor utmaning, noggrant beaktas för att säkerställa att de kan användas i praktiska tillämpningar.

Förutom att tillhandahålla fördelarna med högre prestanda och lägre strömförbrukning, öppnar användningen av 2D-SCM nya möjligheter för att skapa flexibla och transparenta enheter, vilket är av stort intresse för framtidens elektronik som bärbara enheter, flexibla skärmar och optoelektroniska applikationer. Eftersom 2D-material kan ordnas i flera lager för att skapa van der Waals heterostrukturer, ges det möjlighet att utforska nya fysiska fenomen och utveckla enheter med helt nya egenskaper.

Dock står användningen av 2D-SCM inför flera utmaningar. Begränsad långsiktig stabilitet för många 2D-material hindrar deras utbredda användning. Detta, tillsammans med den låga bärarmobiliteten och absorptionshastigheten hos vissa 2D-material, begränsar deras användbarhet i elektronik. Samtidigt är tillverkningsprocesserna för dessa material - från syntes och överföring till doping och mönstring - av avgörande betydelse för deras prestanda och långsiktiga användning.

Hur tillverkas 2D-memristorer och deras syntesmetoder?

Tillverkning och syntes av 2D-semikonduktorer för memristorer är en komplex och utmanande process som kräver avancerade teknologier och förståelse för fysikens mekanismer på mikroskopisk nivå. Dessa material, som inkluderar grafen och andra 2D-material, spelar en nyckelroll i utvecklingen av nästa generations elektroniska komponenter, där memristorer är en central komponent. Memristorer är elektroniska komponenter som kan lagra information baserat på sina resistiva tillstånd, vilket gör dem användbara för minneslagring och logiska beräkningar i framtida datorer. I denna sammanhang är syntesen och överföringen av 2D-material avgörande.

De mest framträdande metoderna för syntes av 2D-material är mekanisk exfoliering, kemisk ångdeposition (CVD), fysisk ångdeposition (PVD) och vätskefas-exfoliering (LPE). Varje metod har sina fördelar och nackdelar beroende på materialets egenskaper och tillämpningar.

Mekanisk exfoliering, som först demonstrerades av Novoselov och Geim när de separerade monolager grafen från grafit med hjälp av Scotch-tejp, möjliggör framställning av högkvalitativa 2D-material i små kvantiteter. Denna metod har dock en låg avkastning och små områden, vilket innebär att den främst används för forskningsändamål, särskilt när man vill studera lagerkorrelation i 2D-memristorer.

Kemisk ångdeposition (CVD) är en av de mest använda metoderna för att producera högkvalitativa och stora mängder 2D-material. Processen innebär att ett substrat exponeras för olika förhandsmedel som kemiskt reagerar och deponeras på substratets yta. Trots att CVD ger bättre kontroll över materialets egenskaper, kan denna metod vara komplicerad och svår att reglera vid tillverkning av 2D-semikonduktorer för memristorer. Höga temperaturer och svårigheter i att kontrollera de kemiska reaktionerna gör det utmanande att uppnå enhetliga och defektfria material.

Vätskefas-exfoliering (LPE) är en metod för storskalig exfoliering av 2D-material där man använder lösningar för att separera skikten i materialet genom svaga van der Waals-krafter. Denna metod är kostnadseffektiv och miljövänlig, men det finns fortfarande problem med att balansera avkastning och kvalitet, eftersom förbättrade lösningsmedel kan lämna kvar rester som påverkar materialens egenskaper.

För att säkerställa att memristorer fungerar effektivt och pålitligt, är det också viktigt att tillverka de elektriska kontakterna, de så kallade toppelektroderna (TE). Dessa elektroder ska placeras exakt på resistiva lagret (RS) utan att komma i kontakt med bottelektroden (BE), vilket kräver mikronivåmönstring och deposition. Litografiska tekniker används ofta för att säkerställa en noggrann deposition av elektroderna, men även här kan det uppstå problem med fotomotståndsrester som kan påverka memristorernas prestanda.

Slutligen är förståelsen av de fysikaliska mekanismerna som styr den resistiva växlingen (RS) i 2D-SCM-baserade memristorer avgörande för att designa enheter med hög prestanda och komplexa funktioner. De mekanismer som styr RS kan vara flera och kombineras i enlighet med materialens semikonduktiva egenskaper och de kvantumfenomen som induceras av deras ultratunna struktur. Filamentär RS, som är den mest erkända mekanismen, innebär att metalliska atomer ordnas i ledande kanaler. Denna process kan delas in i elektrokemiska, termokemiska och valensändringsmekanismer, vilka alla bidrar till den resistiva växlingen.

För att förstå och optimera tillverkningen och användningen av 2D-memristorer, behöver man därför inte bara förstå de specifika syntesmetoderna och överföringsteknikerna, utan också de fysikaliska principerna bakom RS. Genom att noggrant kontrollera varje steg i processen och ha en djup förståelse för materialens fysik kan forskare och ingenjörer skapa mer effektiva och pålitliga memristorer, vilket är ett viktigt steg mot utvecklingen av framtidens elektroniska komponenter och minnesteknologier.

Hur tvådimensionella halvledare omvandlar elektrokemiska energilagringssystem

De globala energiutmaningarna och det ökande behovet av hållbara energikällor har lett till intensiv forskning inom området elektrokemiska energilagringssystem. Forskare har uppmärksammat 2D-material som en potentiell lösning för att utveckla nya och effektiva energilagringskomponenter. Bland dessa material, grafen och MXene, står ut som framstående exempel. Deras exceptionella strukturella, mekaniska och elektrokemiska egenskaper gör dem till attraktiva kandidater för användning i batterier, superkondensatorer, solceller och bränsleceller. Genom att manipulera dessa material på atomär nivå kan deras elektriska och strukturella egenskaper optimeras för specifika energiapplikationer, vilket möjliggör mer effektiva och hållbara teknologier.

Till exempel har grafen, som är en form av 2D-kolmaterial, blivit en grundläggande komponent i elektrokemiska enheter. Grafens överlägsna elektriska ledningsförmåga och höga mekaniska hållfasthet gör det till ett utmärkt substrat för elektrodmaterial i olika energilagringssystem. Forskare har funnit att genom att modifiera grafen, till exempel genom fasövergångar, interkalation eller metall-hybridisering, kan man ytterligare förbättra dess elektrokemiska egenskaper och därigenom öka prestanda i superkondensatorer och batterier.

En annan grupp av 2D-material som har fått stor uppmärksamhet är MXene. Dessa material är mycket användbara i superkondensatorer och batterier, där de fungerar som elektroder. MXene har visat sig erbjuda hög kapacitans och långsiktig stabilitet, vilket gör dem särskilt lämpliga för användning i energilagringssystem som kräver lång livslängd och snabb laddning. Tillsammans med andra material som metallorganiska ramverk (MOFs) har MXene också förbättrat prestanda hos superkondensatorer, vilket har lett till utvecklingen av mer effektiva och hållbara energilagringslösningar.

Vidare har forskningen även undersökt 2D-hybridstrukturer som kan integreras i bränsleceller för att förbättra deras effektivitet. Traditionella bränsleceller har ofta problem med att hantera vätskeelektrolyter, vilket kan orsaka farliga läckage och ineffektiv drift. Genom att använda fasta elektrolyter baserade på 2D-material har forskare kunnat skapa bränsleceller som fungerar vid lägre temperaturer och med högre effektivitet. Ett exempel på en sådan utveckling är syntesen av perovskitbaserade elektrolyter som kan förbättra den joniska ledningsförmågan och möjliggöra stabil drift i bränsleceller.

Förutom grafen och MXene har andra 2D-material som MoS2, WS2 och MoSe2 också undersökts för deras potentiella användning i energilagringstekniker. Dessa material har visat sig erbjuda goda elektrokemiska egenskaper, inklusive hög kapacitans och god cyklisk stabilitet, vilket gör dem användbara för batterier och superkondensatorer. Ytterligare forskning på strukturella modifikationer av dessa material, såsom tunna lager eller heterostrukturer, har lett till förbättrade prestanda och ökad tillförlitlighet i olika applikationer.

De senaste framstegen inom denna forskning visar att det finns en stor potential i att använda 2D-material för att skapa högpresterande och hållbara elektrokemiska energilagringssystem. Det är dock viktigt att förstå att dessa teknologier fortfarande är under utveckling. Även om de har visat lovande resultat i laboratoriemiljö, finns det fortfarande utmaningar när det gäller att skala upp produktionen och integrera dessa material i kommersiella produkter. Forskningen fortsätter att fokusera på att förbättra syntesmetoderna, optimera materialens prestanda och övervinna de tekniska barriärerna för att möjliggöra deras användning i verkliga applikationer.

För att uppnå den fulla potentialen hos dessa material måste framtida forskning också ta hänsyn till långsiktig stabilitet och kostnadseffektivitet. Det är avgörande att utveckla material som inte bara presterar bra på kort sikt utan också har en lång livslängd, vilket är avgörande för kommersiella applikationer inom energiindustrin. Dessutom måste forskarna ta itu med problemen med råmaterialtillgång och tillverkningskostnader för att kunna skapa hållbara och ekonomiskt genomförbara energilagringslösningar.