Vad är betydelsen av bredbandsgap 2D-material för elektronik och optoelektronik?

Bredbandsgap 2D-material har nyligen fått uppmärksamhet inom materialvetenskap och elektronik för sin förmåga att förena de exceptionella egenskaperna hos 2D-material, som atomärt tunna strukturer och hög elektrisk ledningsförmåga, med den kontroll som bandgap ger över elektroniska och optiska egenskaper. Bland de mest framstående 2D-materialen finner vi grafen, ett material bestående av ett enda lager kolatomer ordnade i ett hexagonalt gitter. Upptäckten av grafen år 2004 orsakade en revolution inom teknologin, vilket gav den titeln "undermaterial". Grafen visade sig ha en extraordinär elektrisk ledningsförmåga, mekanisk styrka och termiska egenskaper. Däremot har grafens frånvaro av ett inbyggt bandgap, en egenskap som uppstår på grund av dess linjära energidispersion, hindrat dess tillämpning i vissa områden, särskilt inom transistorer.

Trots grafens fördelar som material med hög elektronmobilitet och termisk ledningsförmåga, gör bristen på bandgap det svårt att kontrollera flödet av elektroner i transistorer, vilket leder till läckströmmar och låg ON/OFF-ratio. Detta gör att grafen inte är optimalt för vissa tillämpningar som kräver precis kontroll över elektriska och optiska egenskaper.

För att övervinna detta hinder har forskare och ingenjörer inriktat sig på bredbandsgap 2D-material, som erbjuder en lösning på grafens begränsning. Bredbandsgap 2D-material kännetecknas av bandgap som sträcker sig från några elektronvolt till energi som ligger utanför den ultravioletta regionen, vilket gör att de skiljer sig avsevärt från grafen och andra material med smalt bandgap. Ett exempel på sådana material är övergångsmetall-dikalcogenider (TMDCs), hexagonal boronnitrid (h-BN) och svart fosfor (BP).

De bredbandsgap 2D-materialen har olika elektroniska egenskaper som möjliggör skräddarsydd kontroll över laddningstransport och optiska egenskaper. Detta gör dem till lovande kandidater för tillämpningar inom högfrekvent elektronik, där deras bandgap gör det möjligt att designa transistorer med högre ON/OFF-ratio och snabbare omkopplingshastigheter. Dessa material har också exceptionella fotoluminiscenta egenskaper och interaktioner mellan ljus och materia, vilket gör dem användbara för optoelektroniska tillämpningar som ljusemitterande dioder (LEDs), fotodetektorer och lasrar.

En av de mest undersökta och lovande bredbandsgap 2D-materialen är MoS2, som tillhör gruppen av 2D TMDC-halvledare. MoS2 har visat sig ha hög elektronmobilitet och två distinkta kristallfaser: den stabila 2H-fasen, som beter sig som en n-typ halvledare, och den oktahödrade 1T-fasen, som har metalliska egenskaper. I sin monolagerform har MoS2 ett direkt bandgap på 1,8 eV, vilket är mycket högre än det indirekta bandgapet på 1,2 eV som uppträder i flerlagriga MoS2-material.

Det är just dessa fysiska och elektriska egenskaper som gör MoS2 så intressant för forskning och tillämpningar inom både elektronik och optoelektronik. De karakteristiska Raman-spektra för MoS2, som visar på inplan och utplan vibrerande lägen, är ett exempel på hur dessa material kan analyseras för att förstå deras dynamiska egenskaper vid olika lagerantal. Detta gör det möjligt för forskare att optimera materialet för specifika användningsområden.

En annan fördel med bredbandsgap 2D-material är deras potential inom kvantteknologier. De unika egenskaperna hos dessa material gör dem till bra kandidater för att utveckla kvantsensorer och avancerade material för kvantkommunikation och kvantdatorer. Även inom strömförsörjning och kraftelektronik har dessa material potentialen att förbättra energieffektiviteten och minska energiförbrukningen, vilket är särskilt viktigt för framtida elektronik och hållbara teknologier.

Förutom deras tekniska fördelar erbjuder bredbandsgap 2D-material också möjligheter att utveckla nya typer av sensorer och material för medicinsk diagnostik och miljöövervakning. Deras atomära tjocklek och förmåga att interagera med ljus gör dem användbara för sensorer som kan detektera små mängder ämnen eller förändringar i omgivningen. Denna potential öppnar upp för en mängd nya tillämpningar inom allt från biomedicinska sensorer till detektion av miljöföroreningar.

Sammanfattningsvis spelar bredbandsgap 2D-material en central roll i den teknologiska utvecklingen av nästa generations elektroniska och optoelektroniska enheter. Deras förmåga att förena de egenskaper som gör 2D-material så användbara med kontrollen som bandgap ger öppnar nya möjligheter för innovationer inom många områden, från högfrekvent elektronik till kvantteknologi och miljömonitorering.

Hur påverkar molekylär orbitaldelokalisation och staplingseffekt 2D halvledarmaterial?

Molekylär orbitaldelokalisation och staplingseffekter i tvådimensionella (2D) halvledarmaterial, särskilt i heterostrukturer som bildas av transition metal dichalcogenides (TMDC), har visat sig vara centrala för att förstå och optimera deras elektroniska och optiska egenskaper. I dessa material, där atomerna är ordnade i ett enda skikt, blir de elektroniska och optiska processerna starkt påverkade av den reducerade dimensionen och de unika intermolekylära interaktionerna.

För att förstå effekten av delokalisation på elektroniska egenskaper är det viktigt att beakta hur elektronernas rörlighet förändras i 2D-material jämfört med tredimensionella strukturer. I grafen, till exempel, bildar varje kolatom tre sigma-bindningar med sina grannar, men en extra pi-bindning uppstår genom överlappning av p-orbitalerna, vilket ger upphov till en delokaliserad elektronskydde som kan röra sig fritt genom nätverket. Denna delokalisation, även kallad sekundära elektriska bindningar, ger grafen dess exceptionella elektriska ledningsförmåga och stabiliserar dess struktur. Detsamma gäller för andra TMDC-material där starka Coulomb-interaktioner mellan elektroner och hål resulterar i starkt bundna excitoner med bindningsenergi i hundratals meV-området.

Inom TMDC-hämtstrukturer som MoSSe/WSSe har teoretiska beräkningar visat att dessa material kan separera elektron-hål-par effektivt, vilket öppnar för potentiella tillämpningar inom fotokatalys. Här påverkar arbetsfunktionen för olika monoskikt som WSSe och MoSSe hur elektroner och hål förflyttar sig över gränssnittet mellan de två materialen. Eftersom WSSe har en lägre arbetsfunktion än MoSSe, kommer de heta elektronerna från WSSe:s konduktionsband att migrera till MoSSe:s konduktionsband, medan heta hål rör sig från MoSSe:s valensband till WSSe:s valensband. Denna effekt möjliggör en effektiv separation av elektriska laddningar och förbättrar materialets optiska fångstförmåga.

Vidare visar forskning att den elektroniska dynamiken i vertikala och laterala heterostrukturer i MoSSe och WSSe, såsom de som presenteras i olika modeller, sker mycket snabbt. Till exempel sker elektronöverföringar i den vertikala heterostrukturen på cirka 544 fs och hålöverföringar på 2 ps. Å andra sidan sker överföringarna snabbare i den laterala heterostrukturen. Dessa snabba överföringar möjliggör den effektiva hanteringen av excitoner och trioner, vilket är en viktig aspekt för förståelsen av deras optiska egenskaper.

En av de mest framträdande effekterna i dessa material är framväxten av laddade exciton-specier, så kallade trioner, som bildas på grund av de starka Coulomb-interaktionerna mellan elektroner och hål i 2D-material. Trioner uppvisar ännu starkare bindning än excitoner, vilket gör att de kan ha unika optiska och elektroniska egenskaper. Dessa trioner är av särskild betydelse i TMDC-material, där den reducerade dimensionen leder till starkare Coulomb-interaktioner på grund av den spatiala inneslutningen och den lägre dielektriska skärmningen jämfört med bulkstrukturer.

Då många av de optiska fenomenen i TMDC-material regleras av excitonernas och trionernas

Hur 2D-material kan förändra framtidens mobilkommunikation och elektroniska system

De senaste framstegen inom tvådimensionella (2D) material öppnar upp nya möjligheter för elektroniska och fotoniska tillämpningar, särskilt inom terahertz (THz) elektronik och mobilkommunikation. Bland de mest lovande materialen finner vi grafen, transition metal dichalcogenides (TMDs), MXener och metall-organiska ramverk. Dessa material har visat sig ha viktiga elektriska egenskaper som kan förbättra effektiviteten i mobilkommunikationssystem, vilket kan leda till snabbare och mer tillförlitliga nätverk.

En specifik process som har använts för att skapa bor-nitride nanoflak (BN NFs) innebär att ball mill-teknik används för att producera dessa material med en genomsnittlig längd på 0,1 till 0,2 mikrometer. Denna metod har också visat på en omvandling av centrosymmetriska bor-nitride material till icke-centrosymmetriska strukturer, vilket indikerar att piezoelektriska effekter kan utnyttjas. Detta är en betydande upptäckt eftersom piezoelektriska egenskaper öppnar dörren för nya tillämpningar inom sensorer och energilagring.

Monolager och flerlagers 2D-material uppvisar unika fysiska egenskaper som gör dem till attraktiva kandidater för utvecklingen av olika elektroniska komponenter. Till exempel, i radiofrekvens (RF)-delen av transceivrar och mottagare används dessa material för att skapa effektiva och kompaktare komponenter såsom blandare, modulatorer, oscillatorer och förstärkare, som är nödvändiga för att hantera olika signalmodulatorer.

2D-materialens höga rörlighet, stora kapacitans och höga avstängningsfrekvenser gör dem särskilt användbara i RF-transistorer, där de kan fungera som aktiva komponenter i kanalerna för att möjliggöra högpresterande analog och RF-kretskonstruktion. Dessutom används de för att utveckla små, tillförlitliga och anpassningsbara patch-antennor, vilket är en nyckelkomponent i framtidens mobiltelefoner och trådlösa nätverk.

MXener, en särskilt intressant klass av 2D-material, har visat sig vara mycket mångsidiga och flexibla, med exceptionella egenskaper inom elektrisk ledningsförmåga och mekanisk hållfasthet. Dessa egenskaper gör MXener till ett utmärkt alternativ för trådlösa nätverk, där de kan användas för att utveckla avancerade antenner och komponenter som är både effektiva och lämpliga för massproduktion. MXener har också visat stor potential i mobila system, där de kan förbättra prestanda genom att minska strömförbrukning och öka överföringshastigheten.

Utvecklingen av 5G och den kommande 6G-teknologin innebär att mobilkommunikationssystemen måste vara ännu snabbare, mer pålitliga och ha högre kapacitet för att möta den växande efterfrågan. 6G, med dess integrering av luftburna, sjöburna och underjordiska kommunikationer, kommer att erbjuda en överlägsen anslutning som är nästan omedelbar och tillgänglig var som helst. Med denna utveckling växer också behovet av att använda avancerade teknologier som artificiell intelligens, blockchain, millimetervågsinteraktioner och kvantkommunikation. Här spelar 2D-material en central roll, eftersom de erbjuder en idealisk lösning för att hantera den ökande datamängden och de komplexa kommunikationskraven.

Samtidigt innebär framstegen inom maskininlärning och trådlös kommunikation att 2D-material på komponentnivå överträffar tidigare lösningar i effektivitet. Deras integration med silikonarkitektur i komplementära metallooxid-halvledare (CMOS) gör dem till en idealisk kandidat för att förbättra prestanda på mikrochip-nivå. Detta öppnar upp för en framtid där 2D-material kommer att spela en allt större roll i nästa generations anslutna enheter, inklusive smartphones, IoT-sensorer och andra trådlösa system.

Utmaningen kvarstår dock i att uppnå de nödvändiga produktionskapaciteterna för 2D-materialbaserade heterogena kretsar. För att verkligen kunna tillämpa dessa material i praktiska produkter som aktiva pixeldetektorer och ultraskarpa mobilkamerabilder, krävs det utveckling av effektiva och kostnadseffektiva tillverkningsmetoder.

Det är också viktigt att förstå att den storskaliga tillämpningen av 2D-material kräver mer än bara tekniska framsteg. Materialen måste vara tillräckligt hållbara för att kunna användas i verkliga tillämpningar under lång tid, och deras integration i existerande infrastrukturer och enheter måste ske utan att försämra prestanda. Vidare är det viktigt att fokusera på att utveckla material som inte bara är effektiva och flexibla, utan även hållbara ur ett miljöperspektiv.