2D-materiaalit: An Introduction to Two-Dimensional Materials

Posted on by admin

Materials at the Nanoscale

Teknologian perusta on materiaalijärjestelmien ymmärtäminen. Materiaalien erityisominaisuuksia tarvitaan sovelluksesta riippuen. Esimerkiksi kuparin sähkönjohtavuutta hyödynnetään piirien rakentamisessa, betonin puristuslujuutta tarvitaan pilvenpiirtäjien rakentamiseen ja vulkanoidun kumin kestävyys ja taipuisuus on tärkeää autonrenkaissa. Mitä enemmän ymmärrämme materiaalin ominaisuuksia, sitä pidemmälle voimme viedä teknologiaa.

Kun ajattelemme materiaalin ominaisuuksia, ajattelemme usein, että ne perustuvat vain siihen, mistä materiaali on tehty. Metalli johtaa sähköä, koska sen atomeja pitävät yhdessä metalliset sidokset – jotka jättävät elektronit vapaasti ajelehtimaan materiaalin läpi, kun siihen kohdistetaan sähkökenttä. Betoni on vahvaa, koska se sisältää sementtiä, joka lukitsee hiekan ja soran kokoonpuristumattomat kappaleet tiukasti yhteen. Vulkanoitu kumi on taipuisaa mutta silti kestävää, koska se koostuu joustavista polymeeriketjuista, jotka ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa.

metallisidosten ansiosta metallit johtavat sähköä
Metallit johtavat sähköä, koska osa elektroneista vapautuu radoiltaan ja pääsee virtaamaan materiaalin läpi.
betoni valmistetaan hiekasta, sorasta ja sementistä
Betoni on vahvaa, koska sementti lukitsee yhteen kokoonpuristumattomia hiekka- ja sorahiukkasia.
Kumi koostuu taipuisista polymeeriketjuista
Polymeeriketjut antavat kumille sen joustavuuden. Ketjujen jäykkä lukkiutuminen toisiinsa lisää materiaalin kestävyyttä.

Materiaalin käyttäytymiseen voi kuitenkin vaikuttaa jokin muukin asia: sen koko. Tämä pätee erityisesti joihinkin materiaaleihin, kun niiden mitat pienenevät nanomittakaavaan (eli niiden koko voidaan kohtuullisesti ilmaista nanometreinä – yleensä pienempinä kuin muutama sata nanometriä ja aina alle nanometriin asti). Sähkönjohtavuus, kemiallinen reaktiivisuus, mekaaniset ominaisuudet ja jopa se, miten materiaali vuorovaikuttaa valon kanssa, voivat kaikki muuttua nanokokoluokassa.

Kun kyvykkyytemme luoda ja tutkia nanomateriaaleja on kehittynyt, on löydetty kiehtovia ja odottamattomia uusia ominaisuuksia. Tämä on avannut täysin uusia väyliä tulevaisuuden teknologioille, jotka ovat riippuvaisia materiaalin koosta sekä sen bulkkiominaisuuksista. Olemme todella siirtymässä nanoteknologian aikakauteen.

Mitä ovat 2D-materiaalit?

Nanomateriaalit voidaan karkeasti luokitella niiden nanoskooppisten ulottuvuuksien kokonaismäärän mukaan:

  • Jos materiaalin kaikki kolme ulottuvuutta ovat nanokokoisia, sitä kutsuttaisiin 0D-materiaaliksi (0D = nolla-ulotteinen materiaali), yleisemmin tunnetumpi nimitys on nanopartikkeli.
  • Jos materiaalin kaksi ulottuvuutta on nanokokoisia, ja toinen ulottuvuus on paljon suurempi (aivan kuin säikeen pätkä kutistettuna pieneksi), kyseessä on 1D-materiaali tai ”nanoputki/nanokierre”.
  • Jos vain yksi ulottuvuus on nanokokoinen, kyseessä on 2D-materiaali – joka muistuttaa suurta, mutta hyvin ohutta arkkia (kuten paperinpala).
  • Viimeiseksi, jos materiaalilla ei ole yhtään tarpeeksi pientä ulottuvuutta, jotta sitä voitaisiin pitää nanokokoisena, kyseessä ei ole nanomateriaali. Sen sijaan sitä tulisi kutsua ”bulkkimateriaaliksi”, ja juuri tämän luokan kanssa olemme tekemisissä jokapäiväisessä elämässämme.

Alla olevassa taulukossa on yksinkertaistettu selitys.

.

Nanoskooppisten ulottuvuuksien lukumäärä

Luokitus

Esimerkki

Massa

Kaikkea mitä voi nähdä silmin

2D (nanolevy)

Grafeeni

1D (nanoputki tai nanolanka)

Hiilinanoputki

0D (nanohiukkanen)

Kvanttipiste

2D-materiaaleilla, on usein mahdollista pienentää materiaalin paksuus yhteen atomiin. Näin on tunnetuimman 2D-materiaalin – grafeenin – kohdalla, ja siellä tapahtuu mielenkiintoisimmat muutokset ominaisuuksissa.

Grafeeni on 2D-systeemi
Nanoputki on 1D-systeemi
Kvanttipisteet ovat 0D-systeemejä
Vähentää ulottuvuutta vasemmalta oikealle: 2D-grfeenilevy, 1D-hiilinanoputki ja 0D-kvanttipiste.

Hiilinanoputket alkaen 150 puntaa

Esimerkkejä 2D-materiaaleista

Grafeni oli ensimmäinen ”moderni” 2D-materiaali, joka eristettiin vuonna 2004 . Sen jälkeen on ollut kirjaimellisesti satoja muita esimerkkejä , joilla on laaja valikoima ominaisuuksia. Alla on useita, joita tutkitaan aktiivisesti.

Grafeeni ja heksagonaalinen boorinitridi

Grafeeni on kovalenttisesti sitoutunut hiiliatomien heksagonaalinen ristikko, joka on vain yhden atomin paksuinen (noin 0,14 nm). Se on puolimetalli (sen johtumis- ja valenssikaistat koskettavat toisiaan). Grafeenin ainutlaatuinen kaistarakenne tarkoittaa, että elektronit liikkuvat sen läpi erittäin suurella nopeudella (noin 1/300 valon nopeudesta), mikä antaa sille kiehtovia ominaisuuksia – kuten ennennäkemättömän lämmönjohtavuuden.

Grafeenipulverit alk. £123

Optisesti läpinäkyvä grafeeni absorboi vain 2 % näkyvän valon määrästä, ja sillä on kaikista materiaaleista korkein vetolujuus. Yksittäinen, vain 0,3 nm:n paksuinen grafeenimonikerros kestäisi jalkapallon painon . (fig of football on monolayer)

Heksagonaalinen boorinitridi (h-BN) on grafeenin isomorfi (sillä on sama kiteinen ulkonäkö), mutta siinä on hiilen sijasta boori- ja typpiatomeja. Toisin kuin grafeeni, se on laajan kaistanleveyden eriste.

grafeeni ja h-bn
Grafeeni (vasemmalla) ja heksagonaalinen boorinitridi (oikealla) ovat molemmat 2D-materiaaleja. Vaikka molemmilla on kuusikulmainen hilarakenne, niillä on hyvin erilaiset fysikaaliset ominaisuudet. Grafeeni on erinomainen sähkönjohdin, kun taas heksagonaalinen boorinitridi on laajan kaistanleveyden eriste.

Heksagonaalinen boorinitridi alkaen £395

Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs)

Transition Metal Dichalcogenides (yleisesti TMDC) on kemialliselta kaavaltaan MX2, jossa M on siirtymämetalli (kuten molybdeeni (Mo) tai volframi (W)) ja X on kalkogeeni (kuten rikki (S), seleeni (Se) tai telluuri (Te)). Irtotavarana olevat TMDC:t ovat van der Waals -materiaaleja, joissa kukin kerros on kolmen atomin paksuinen ja koostuu metallikerroksesta, joka on kahden kalkogenidikerroksen välissä.

TDMC:t voivat saada erilaisia kiderakenteita. Yleisin on 2H-faasi, jossa on trigonaalinen symmetria, mikä johtaa puolijohtaviin ominaisuuksiin, kuten MoS2:lla, WS2:lla ja MoSe2:lla. Näillä puolijohteilla on irtotavarana epäsuora kaistanleveys. Yksikerroksisissa puolijohdekerroksissa kaistaläpimitasta tulee suora ja näkyvässä spektrissä, mikä tekee niistä houkuttelevia optoelektroniikan kannalta. Varausliikkuvuudet ~100-1000 cm2V-1s-1 tekevät niistä suositun valinnan 2D-transistoreiksi. Toinen mahdollinen rakenne on metallinen 1T-faasi, joka on WTe2:n stabiilein polymorfi.

MoS2 ja WTe2
Vasemmalla: Molybdeenidisulfidi (MoS2). Oikealla: Volframiditelluridi (WTe2). Molemmat ovat 2-ulotteisia siirtymämetallidikalkogenideja. MoS2 esiintyy yleisimmin puolijohtavassa 2H-faasissa, kun taas WTe2 omaksuu mieluummin metallisen 1T-faasin.

Volframiditelluridin yksikiteet alk. 396,60 £

Fosforeeni

Fosforeeni on yksikerroksinen mustan fosforin kerrostunut, stabiili alkuainefosforin allotrooppi. Se on suoran kaistaläpän omaava puolijohde, jolla on poimuttunut hunajakennorakenne. Kaistaleveys voidaan virittää koko näkyvällä alueella pinoamalla kerroksia päällekkäin. Sillä on hyvä varauksen liikkuvuus (~1000 cm2V-1s-1), minkä vuoksi se soveltuu optoelektronisiin laitteisiin ja transistoreihin. Fosforeenin aaltomainen rakenne tarkoittaa, että sen ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi riippuen siitä, mitä suuntaa pitkin materiaalia mitataan.

Fosforeenin musta fosfori
Fosforeeni (tunnetaan myös nimellä 2D-musta fosfori) on 2D-puolijohde, joka on lupaava materiaali transistoreihin.

Mustan fosforin yksikiteet £396

Xeenit

Piistä (silicene), germaniumista (germanene) ja tinasta (stanene) koostuvat monikerrokset tunnetaan yhteisesti nimellä Xeenit (grafeenin nimeämiskäytäntöä mukaillen). Niillä on samanlainen kuusikulmainen rakenne kuin grafeenilla, mutta ne ovat eriasteisesti poimutettuja. Toisin kuin grafeenia, niitä ei voida kuoria bulkkimateriaalista, vaan ne on kasvatettava epitaksiaalisesti substraatille, ja ne säilyttävät yleensä vahvan vuorovaikutuksen kyseisen substraatin kanssa. Vaikka ne ovat vielä hyvin lapsenkengissä, potentiaaliset käyttökohteet vaihtelevat kenttäefektitransistoreista topologisiin eristeisiin.

Silikaani, germaniini ja staneeni
Silikaanilla (vasemmalla), germaniinilla (keskellä) ja staneenilla (oikealla) on poimutettu heksagonaalirakenne.
Viime aikoina on kasvatettu myös 2-D:n analogeja antimonille ja vismutille (antimomeenille ja vismutiinille). Vismutilla on potentiaalia magneettielektronisiin sovelluksiin.

Miten tehdään 2D-materiaaleja?

Mitä tahansa materiaalia on mahdollista ottaa ja ohentaa sitä (kunnes sen paksuus on vain muutaman atomin) 2D-materiaalin luomiseksi. Monilla materiaaleilla (esim. timanteilla) on kuitenkin kemiallisia sidoksia, jotka ovat suuntautuneet kolmiulotteisesti, joten materiaalin ohentaminen edellyttää näiden sidosten katkaisemista – jolloin ne jäävät ”roikkumaan”. Näin syntyneessä 2D-materiaalissa on suuri tiheys roikkuvia sidoksia, jotka ovat kemiallisesti ja energeettisesti epävakaita ja voivat pakottaa materiaalin järjestämään rakenteensa uudelleen pintaenergian alentamiseksi.

Toisella hiilen allotyypillä – grafiitilla – on vahvoja kemiallisia sidoksia vain massamateriaalin tasoja pitkin. Nämä tasot ovat päällekkäin ja niitä pitää yhdessä heikko van der Waalsin vuorovaikutus, joten ne voidaan erottaa toisistaan jättämättä roikkuvia sidoksia. Grafiitin tapauksessa yhtä tasoa kutsutaan grafeeniksi. Suurin osa tutkittavista 2D-materiaaleista kuuluu siis laajempaan kerrosmateriaalien (tai van der Waals -materiaalien) luokkaan.

Timantilla on roikkuvia sidoksia, kun sitä leikataan, mutta grafiitilla ei
Timantissa (vasemmalla) jokaisella hiiliatomilla on sidoksia, jotka ulottuvat kolmeen ulottuvuuteen – mikä tarkoittaa, että kun timanttia leikataan missä tahansa orientaatiossa, joidenkin näistä sidoksista on katkaistava, ja ne jäävät ”roikkuviksi” (kuvassa on kuvattu punaisella). Grafiitin (oikealla) atomeilla on sidoksia, jotka ulottuvat vain kahteen ulottuvuuteen, joten kun sitä leikataan sidosten suuntaisesti, yksikään niistä ei katkea.

2D-materiaalien valmistamiseen on kaksi menetelmää:

i) Ylhäältä alas (aloitetaan bulkkimateriaalista ja ohennetaan sitä)

ii) Alhaalta ylös (aloitetaan atomisista ainesosista ja kootaan ne yhteen)

Kummankin lähestymistavan sisällä on useita alaluokkia, joilla kullakin on omat hyötynsä ja haittansa – ne on selostettu alla.

Top-down

  • Mekaaninen kuorinta – Tunnetaan yleisesti ”Scotch-nauhamenetelmänä”, ja sitä käytettiin ensimmäisenä yksikerroksisen grafeenin luomiseen. Kerroksellisen materiaalin pinnalle levitetään teipin pala, joka sitten kuoritaan pois, jolloin se vie mukanaan hiutaleita (jotka koostuvat pienestä määrästä kerroksia). Teippi voidaan sitten painaa alustalle, jolloin hiutaleet voidaan siirtää tutkittaviksi. Tämän prosessin yksikerroksisten hiutaleiden saanto on alhainen (saadut hiutaleet ovat enimmäkseen monikerroksisia), eikä niiden kokoa ja muotoa voida kontrolloida. Tuotettavien yksikerroksisten hiutaleiden koko on kuitenkin kohtuullinen (muutamasta mikrometristä ~100 mikrometriin) ja yksikerroksisten hiutaleiden laatu on erinomainen – niissä on hyvin vähän vikoja, koska niihin ei liity kemiallista prosessointia.

    Tekniikka sopii myös kaikille van der Waalsin materiaaleille. Näistä syistä mekaaninen kuorinta on edelleen suosittua laboratoriotutkimuksissa, mutta se ei ole skaalattavissa integroitavaksi uusiin teknologioihin.

    Mekaaninen kuorinta MoSsub2/sub
    Mekaanisessa kuorinnassa kuoritaan peräkkäisiä kerroksia Van der Waals -materiaalista teipin avulla.

Indium (II) seleenidien yksikiteitä £397:sta.10

  • Nesteen kuorinta – Toinen mekaaninen menetelmä, nesteen kuorinta, sisältää orgaanisen liuottimen käyttämisen väliaineena mekaanisen voiman siirtämiseksi nesteeseen suspendoituneeseen kerrostuneeseen materiaaliin (joka on usein jauheen muodossa). Sonikaatio aiheuttaa vetojännityksen, joka kohdistuu kerroksiin ja pakottaa ne erilleen. Yksikerroksisen saannon parantamiseksi on olemassa muunnelmia – kuten reaktiivisten ionien tuominen (materiaalikerrosten väliin, jotka luovat vetykuplia), jotka työntävät kerrokset erilleen, tai liuoksen nopea sekoittaminen, jolla luodaan lisää leikkausvoimaa kerroksiin.

    Menetelmä on hyvin skaalautuva, mutta sillä on useita haittoja. Yksikerroksisen kerroksen saanto on jälleen yleensä alhainen, ja hiutaleet ovat usein alle 100 nm:n kokoisia (johtuen sovelletuista voimista, jotka hajottavat ne toisistaan). Tuloksena syntyvillä hiutaleilla voi myös mahdollisesti olla suuri vikatiheys ja liuotinjäämiä, kun ne poistetaan liuoksesta, jolloin ne eivät sovellu moniin optoelektronisiin sovelluksiin.

    liquid exfoliation of MoSsub2/sub
    Liquid exfoliation käyttää usein kuplia pakottamaan kerrokset erilleen toisistaan.

Molybdeenidisulfidijauhetta 168 punnasta £.20

Bottom-up

  • Kemiallinen kaasufaasipinnoitus – Tässä prosessissa yksi tai useampi prekursorikaasu (jotka yleensä sisältävät halutun kalvon atomaariset ainesosat) johdetaan kuumennetun uunin läpi, jossa ne reagoivat keskenään tai substraatin kanssa ja muodostavat ohuen kerroksen haluttua materiaalia. Tätä prosessia on sovellettu menestyksekkäästi grafeenin ja TMDC:n kasvattamiseen. Useita parametreja (kuten kaasujen paineita ja koostumuksia, lämpötilaa ja reaktioaikoja) on säädettävä, sillä ne vaikuttavat kalvojen paksuuteen, laatuun ja koostumukseen. Vaikka tämä prosessi on monimutkaisempi ja kalliimpi kuin useimmat ylhäältä alas -tekniikat, se on hyvin skaalautuva, ja tuotettujen kalvojen laatu lähestyy mekaanisesti kuorittujen kerrosten laatua.

  • Liuospohjainen kemiallinen synteesi – 2D-materiaalien syntetisoimiseksi märkäkemiallisten tekniikoiden avulla on kehitetty valtavasti erilaisia tekniikoita. Näitä ovat muun muassa korkean lämpötilan kemialliset reaktiot liuoksessa, rajapinnan välityksellä tapahtuva kasvu (reaktiot tapahtuvat vain nesteen pinnalla), nanohiukkasten sulautuminen suuremmiksi nanolevyiksi ja monet muut. Kukin menetelmä soveltuu erityisen hyvin tietyntyyppisille 2D-materiaaleille, ja kaikkea grafeenista ja TMDC:stä yksikerrosmetalleihin voidaan syntetisoida sopivalla tekniikalla.

    Menetelmillä tuotettujen hiutaleiden lateraalinen koko on yleensä pieni (<100 nanometriä), ja tekniikoilla on sama jäännösliuotinongelma kuin nestekuorinnalla. Tietyissä sovelluksissa näiden tekniikoiden skaalautuvuus, alhaiset kustannukset ja monipuolisuus tekevät kemiallisesta synteesistä kuitenkin parhaan menetelmän laajamittaiseen tuotantoon.

Miksi 2D-materiaalit eroavat bulkkimateriaaleista?

Tähän on kolme syytä:

  1. Van der Waalsin vuorovaikutusten poistaminen – Kerroksellinen bulkkimateriaali koostuu monista kovalenttisesti sidotuista tasoista, joita pitävät yhdessä heikot van der Waalsin vuorovaikutukset. Kun materiaaliin kohdistetaan voima, nämä van der Waalsin voimat voidaan helposti voittaa ja materiaali rikkoutuu – jolloin se vaikuttaa heikolta. Sitä vastoin kovalenttiset sidokset, jotka pitävät atomit yhdessä kerroksissa, ovat itse asiassa hyvin vahvoja. Yksikerroksisessa kerroksessa on vain kovalenttisia sidoksia. Kun materiaalista poistetaan ”heikot sidokset”, se vaikuttaa paljon vahvemmalta. Esimerkiksi grafeenin vetolujuus on 1000 kertaa suurempi kuin grafiitin, ja vaikka grafiittikynä murtuu helposti, grafeeni on yli 100 kertaa vahvempi kuin teräs.

    Grafiitti murtuu helposti, kun taas grafeeni on äärimmäisen vahvaa
    Grafiitti (vasemmalla) murtuu helposti sen heikkojen tasojen välisten Van der Waals -voimien vuoksi, kun taas grafeenissa (oikealla) on vain kovalenttisia sidoksia, joten se on äärimmäisen vahvaa – yksikerroksinen kerros riittää tukemaan jalkapallon.

  1. Pinta-alan ja tilavuuden suhteen kasvaminen – Materiaalin pinta-alan ja tilavuuden suhde määrittelee, kuinka suuri osa siitä on alttiina ympäristölle. Tämä on tärkeää kemiallisten reaktioiden kannalta – mitä enemmän reagoivaa ainetta on kosketuksissa materiaalin kanssa, sitä nopeammin reaktio voi tapahtua, joten 2D-materiaalit ovat yleensä reaktiivisempia kuin bulkkimateriaalit. Se tekee 2D-materiaaleista myös herkempiä ympäristölleen, ja tätä vaikutusta hyödynnetään 2D-materiaaleihin perustuvissa antureissa.

    Pinta-ala kasvaa, kun kappale jaetaan pienempiin osiin
    Kun kappale jaetaan pienempiin osiin, sen kokonaispinta-ala kasvaa. Vasemmalta oikealle: bulkkikappale jaetaan 2D-levyihin – jolloin punaiset pinnat paljastuvat, ja levyt jaetaan 1D-sauvoihin – jolloin siniset pinnat paljastuvat edelleen. Lopuksi sauvat jaetaan pisteiksi – jolloin paljastuu lisää vihreitä pintoja.

  1. Elektronien rajoittuminen tasoon – Materiaalin elektroniset ja optiset ominaisuudet riippuvat sen elektronisesta kaistarakenteesta. Tämä kuvaa, miten elektronit liikkuvat materiaalin läpi, ja on seurausta sen kiderakenteen jaksollisuudesta. Kun materiaali muuttuu bulkista 2D:ksi, jaksollisuus poistuu tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, mikä voi muuttaa kaistarakennetta huomattavasti. Muuttuneet kaistarakenteet ovat vastuussa grafeenin äärimmäisen korkeasta johtavuudesta ja yksikerroksisen MoS2:n fluoresenssista.

    MoS2:n yksikerroksinen ja bulkin kaistarakenne
    Kaistarakennekaavio (vasemmalla) bulkin ja (oikealla) yksikerroksisen MoS2:n kaistarakenteesta, jossa näkyy epäsuorasta kaistaläpäisevyydestä suoraan kaistaläpäisevyydeltä siirtyminen, johon liittyy kaistaläpäisevyyden leveneminen.

    Toinen ulottuvuusrajoituksen vaikutus on elektronien ja reikien välisen dielektrisen varjostuksen väheneminen puolijohteissa. Kun sähkökenttää varjostavaa materiaalia on vähemmän, Coulombin vuorovaikutus lisääntyy ja vahvemmin sidottuja eksitoneja syntyy – jolloin ne ovat vakaampia kuin bulkkimateriaaleissa esiintyvät eksitonit. Jos eksitonit on rajattu tasoon, joka on ohuempi kuin niiden Bohrin säde (kuten monissa 2D-puolijohteissa), kvanttirajoitus johtaa niiden energian kasvuun verrattuna bulkki-eksitoneihin, mikä muuttaa niiden absorboiman ja emittoiman valon aallonpituutta.

    Energiaa voidaan jonkin verran säätää muuttamalla 2D-materiaalin kerrosten lukumäärää (eli kaksikerroksinen rakenne absorboi/emittoi matalamman energiapitoisuuden omaavaa valoa kuin yksikerroksinen). Tämä voi kuitenkin vaikuttaa myös kaistarakenteeseen, mikä johtaa muutoksiin myös muissa ominaisuuksissa (esimerkiksi kaksikerroksisesta MoS2:sta tulee elektronisen kaistarakenteen muutosten vuoksi ei-emissiivinen verrattuna yksikerroksiseen).

2D-materiaalien sovellukset

2D-materiaalien dimensiomäärän pienenemisestä johtuva ominaisuuksien muuttuminen tarkoittaa sitä, että 2D-materiaalit soveltuvat usein hyvin sellaisiin sovelluksiin, joissa bulkkimateriaali ei olisi sopiva. Alla on lueteltu joitakin lupaavimpia sovelluksia.

  • Transistorit ja anturit

Kenttäefektitransistoreja (FET) on valmistettu erilaisista puolijohtavista 2D-materiaaleista, kuten TMDC:stä ja mustasta fosforista . Niiden hyvä varauksen liikkuvuus ja maltilliset kaistanleveydet tekevät niistä hyviä ehdokkaita tähän sovellukseen.

Hexagonaalista boorinitridiä käytetään usein portin dielektrisenä aineena. Vaikka grafeenilla ei ole luonnostaan kaistaleveyttä, sitä on myös käytetty transistoreiden aktiivisena kanavana avaamalla kaistaleveyttä menetelmillä, kuten reunatilojen muokkaamisella, kemiallisella seostamisella tai soveltamalla sähkökenttiä.

2D-materiaalien etuna perinteiseen piihin verrattuna on niiden luontainen joustavuus. Yhdessä sopivien substraattien kanssa 2D-materiaaleja voidaan käyttää joustavien piirien luomiseen. Vaikka elektroniikkateollisuuden tarvitsemien korkealaatuisten 2D-kerrosten laajamittaiseen tuotantoon liittyy vielä joitakin ongelmia, transistorit ovat edelleen yksi lupaavimmista sovelluksista. 2D-TMDC:stä on valmistettu FET-pohjaisia antureita, jotka pystyvät havaitsemaan erilaisia kemikaaleja miljoonasosien alueella tai paremmin, mukaan lukien trietyyliamiini , typpioksidi , ammoniakki ja typpidioksidi, mittaamalla johtavuuden muutoksia altistuttaessa näille kemikaaleille.

2D-2D-transistori
Transistori, joka on muodostettu TDMC:n monokerroksesta, joka peittää metalliset elektrodit. Yksittäinen yksikerroksinen TMDC (< 1 nm paksu) voi absorboida jopa 10 % osuvasta näkyvästä valosta , mikä vastaa noin 100 nm piitä. Monokerrosten ohuuden vuoksi tämä absorptio ei riitä korkean hyötysuhteen aurinkosähköön. Niistä voidaan kuitenkin valmistaa erittäin tehokkaita valonilmaisimia. Mekaanisesti kuoritusta MoS2-monokerroksesta valmistettu laite saavutti herkkyyden ~103 A/W spektrialueella 400nm-680nm , kun taas yhdistämällä MoS2 grafeenin kanssa heterorakenteeksi herkkyys saavutti 108 .

  • Akkujen elektrodit

Ioniakkujen ja superkondensaattoreiden elektrodit vaativat sähköä johtavia materiaaleja, joilla on suuri pinta-ala, jotta ne pystyvät tallentamaan suuria ionitiheyksiä. Grafeeniin on kiinnitetty jonkin verran huomiota grafiittielektrodien mahdollisena seuraajana sen suuremman pinta-massasuhteen, paremman johtavuuden, suuremman mekaanisen lujuuden ja joustavuuden vuoksi, mikä voisi johtaa vahvempiin ja kevyempiin akkuihin, joilla on suurempi tehotiheys ja nopeampi latausaika. Myös 2D MoS2 on saanut paljon huomiota mahdollisena elektrodina. Vaikka se on puolijohtava stabiilimmassa 2H-kiderakenteessaan, se voidaan valmistaa siten (yleensä kemiallisella kuorinnalla), että se muuttuu metalliseksi 1T-faasiksi. Pinotuista 1T-monokerroksista muodostetut elektrodit ovat osoittaneet suurempia teho- ja energiatiheyksiä kuin grafeenipohjaiset elektrodit.

  • Topologiset isolaattorit

Topologiset isolaattorit (TIs) ovat materiaaleja, jotka käyttäytyvät eristeinä lukuun ottamatta reunojaan, joissa ne pystyvät johtamaan elektroneja suurella tehokkuudella. Elektronit, joilla on vastakkaiset spinit, kulkevat reunoilla vastakkaisiin suuntiin. TI:t voivat löytää käytännön sovelluksia pienitehoisissa elektroniikka- ja spintroniikkalaitteissa (joissa elektronien spiniä käytetään tiedon koodaamiseen tai laitteen suorituskyvyn parantamiseen). Kseneenien (erityisesti bismuteenin ja staniinin) odotetaan toimivan TI:nä. TMDC WTe2 voidaan vaihtaa topologisen eristeen ja suprajohteen välillä sähkökentän avulla .

  • Valleytroniikka

Valleytroniikassa hyödynnetään joidenkin TDMC:iden (esim. MoS2, WS2) varauksenkuljettajien ominaisuutta, jota kutsutaan ”laaksopolarisaatioksi”. Tämä ominaisuus liittyy elektronin ja reiän spiniin ja kulmamomenttiin. Polarisoitu optinen heräte mahdollistaa tietyn laakson ja siten tietyn spinin omaavien kantajien valikoivan herätteen. Tämä ylimääräinen vapausaste avaa mahdollisuuden luoda uusia optoelektronisia laitteita tietojenkäsittelyyn ja tallennukseen. Valleytroniikkaa käsitellään tarkemmin täällä:

  1. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, KS. Novoselov et al., Science, 306, 666-669 (2004)
  2. Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimental known compounds, N. Mounet et al., Nature Nanotechnology, 13, 246-252 (2018)
  3. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, C. Lee et al., Science, 321, 385-388 (2008)
  4. Epitaxial Growth and Air-Stability of Monolayer Antimonene on PdTe2, X. Wu et al., Advanced Materials, 29, 1605407 (2017)
  5. Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material, F. Reis et al., Science, 357, 287-290 (2017)
  6. Feature-rich magneto-electronic properties of bismuthene, SC. Chen et al., New J. Phys., 20, 062001 (2018)
  7. Single-layer MoS2 transistorit, B. Radisavljevic et al, Nature Nanotechnology, 6, 147-150 (2011)
  8. Mustan fosforin kenttäefektitransistorit, L. Li et al, Nature Nanotechnology, 9, 372-377 (2014)
  9. Joustavat mustan fosforin ambipolaariset transistorit, piirit ja AM-demodulaattori, W. Zhu et al., Nano Lett., 15, 1883-1890 (2015)
  10. Chemical Vapor Sensing with Monolayer MoS2, F. Perkins ym, 13, 668-673 (2013)
  11. Fabrication of Single- and Multilayer MoS2 Film-Based Field-Effect Transistors for Sensing NO at Room Temperature, H. Li et al., Small, 8, 63-67 (2012)
  12. Sensing Behavior of Atomically Thin-Layered MoS2 Transistors, D. Late ym, ACS Nano, 7, 4879-4891(2013)
  13. Extraordinary Sunlight Absorption and One Nanometer Thick Photovoltaics Using Two-Dimensional Monolayer Materials (Ylimääräinen auringonvalon absorptio ja yhden nanometrin paksuinen aurinkosähkö käyttäen kaksiulotteisia yksikerrosmateriaaleja), M. Bernardi et al., Nano Lett., 13, 3664-3670 (2013)
  14. Ultrasensitiiviset monikerroksiseen MoS2:een perustuvat valosähköiset ilmaisimet (Ultrasensitive Photodetectors based on Monolayer MoS2), O. Lopez-Sanchez ym, Nature Nanotechnology, 8, 497-501 (2013)
  15. Ultrahigh-Gain Photodetectors Based on Atomically Thin Graphene-MoS2 Heterostructures, W. Zhang et al., Scientific Reports, 4, 3826 (2014)
  16. Liquid-Mediated Dense Integration of Graphene Materials for Compact Capacitive Energy Storage, X. Yang et al., Science, 341, 534-537 (2013)
  17. Towards ultrahigh volumetric capacitance: graphene derived highly dense but poorous carbons for supercapacitors, Y. Tao et al., Scientific Reports, 3, 2975 (2013)
  18. An Advanced Lithium-Ion Battery Based on a Graphene Anode and a Lithium Iron Phosphate Cathode, J. Hassoun et al., Nano Lett., 14, 4901-4906 (2014)
  19. Metallic 1T phase MoS2 nanosheets as supercapacitor electrode materials, M. Acerce et al., Nature Nanotechnology, 10, 313-318 (2015)
  20. Buckled two-dimensional Xene sheets, A. Molle ym, Nature Materials,16, 163-169 (2017)
  21. Gate-indusoitu suprajohtavuus yksikerroksisessa topologisessa eristeessä, E. Sajadi et al., Science, 362, 922-925 (2018)
  22. Elektrisesti viritettävissä oleva matalan tiheyden suprajohtavuus yksikerroksisessa topologisessa eristeessä, V. Fatemi et al., Science, 362, 926-929 (2018)

Nesteenvirhe: LiquidLiquid error: Could not find asset snippets/crosslinks-2d-materials.liquidLiquid error: Could not find asset snippets/crosslinks-2d-materials.liquid

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.