Materiały dwuwymiarowe to nie tylko grafen stosowany w elektronice
Zapotrzebowanie na coraz mniejsze podzespoły elektroniczne nieustannie się zwiększa, ale branża jest bliska osiągnięcia granicy miniaturyzacji materiałów krzemowych. Ostatnio materiały dwuwymiarowe stały się obiecującymi kandydatami do wykorzystania w zminiaturyzowanych urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych, ze względu na swoje specyficzne właściwości, a także grubość pojedynczego atomu. Grafen był pierwszym materiałem dwuwymiarowym, który został szczegółowo zbadany, a obecnie skupiamy się na innych materiałach o bardzo różnych właściwościach, nadających się do nowych zastosowań. W ramach finansowanego przez UE projektu DEMONH naukowcy badali właściwości elektroniczne i optyczne dwuwymiarowego materiału półprzewodnikowego znanego jako dwusiarczek molibdenu (MoS2) oraz obiecujących materiałów hybrydowych znanych jako perowskity ołowiano-halogenkowe. Doskonałość to nie wszystko Defekty punktowe, takie jak puste miejsca i zanieczyszczenia, są częste w elektronice. „Defekty punktowe często utrudniają realizację niektórych operacji elektronicznych, jednak każdy rodzaj wady może powodować istotną zmianę właściwości materiału. W szczególności wszechobecność defektów może znacząco poprawić reakcje fizyczne, elektrochemiczne i optoelektroniczne materiałów dwuwymiarowych”, podkreśla koordynator projektu David Beljonne. Naukowcy zajmowali się przede wszystkim wpływem defektów punktowych, które są tworzone celowo w celu zwiększenia gęstości miejsc zakotwiczenia lub powstają naturalnie podczas syntezy materiału. W pierwszym przypadku zakotwienie nanocząstek w miejscach defektów MoS2 pod wpływem oddziaływania światła może zwiększyć złożoność właściwości funkcjonalnych materiału. Pracowano też nad stworzeniem ogólnych ram teoretycznych, które objęłyby zarówno właściwości fotofizyczne, jak i optoelektroniczne niektórych materiałów hybrydowych. W badaniach nad materiałami organiczno-nieorganicznymi, zajmujących miejsce na skrzyżowaniu cząsteczek i materiałów półprzewodnikowych, wykorzystano zasady zaczerpnięte zarówno z chemii, jak i fizyki. W szczególności zespół badał, w jaki sposób dodanie defektów punktowych do hybrydowych perowskitów halogenkowych może być wykorzystane do zwiększenia wydajności procesu fotokonwersji w fotowoltaice. Wyniki pozwoliły naukowcom lepiej zrozumieć rolę domieszek chloru i kationów organicznych w tłumieniu rekombinacji nośników i przywracaniu długożyciowych nośników ładunku. Od materiałów dwuwymiarowych do heterostruktur Dysponując kilkoma materiałami dwuwymiarowymi, naukowcy skoncentrowali się na łączeniu ich w pionowe stosy. W projektowaniu architektur wielowarstwowych opartych na ultracienkich materiałach dwuwymiarowych pomogły zaawansowane techniki przetwarzania roztworów. Cząsteczki organiczne wspomagają proces eksfoliacji „na mokro” poprzez rozwarstwienie materiałów na pojedyncze, ultracienkie i, co ważne, stabilne arkusze. „Stworzenie stabilnych polimerów sprzężonych było kluczem do zbadania mechanizmów zmieniających właściwości elektroniczne i optyczne elementarnych jednostek dwuwymiarowych”, wyjaśnia Beljonne. Zespół wykazał między innymi, że właściwości elektryczne warstw dwuwymiarowych dichalkogenku metalu mogą zostać dostosowane poprzez bombardowanie jonami, a powstałe w ten sposób luki siarkowe pełnią rolę pożytecznych grup kotwiczących dla wielofunkcyjnych cząsteczek tiolowych. Materiały dwuwymiarowe ułożone w stosy posiadają szereg możliwych do dostosowania właściwości, które powinny być istotne dla przyszłych zastosowań w elektronice i optoelektronice. Mogą one znaleźć rozliczne zastosowania, od mikrochipów po cienkie i elastyczne panele słoneczne i ekrany monitorów. W wyniku omawianych prac przeprowadzono również dalsze badania nad innymi systemami materiałów dwuwymiarowych. Projekt DEMONH przyczynił się do lepszego zrozumienia złożonych właściwości elektronicznych i optycznych niektórych półprzewodników i materiałów hybrydowych. Wiedza ta powinna pomóc w projektowaniu i opracowywaniu ultracienkich i elastycznych wielowarstwowych urządzeń heterostrukturalnych nowej generacji.
Słowa kluczowe
DEMONH, materiały elektroniczne, materiały dwuwymiarowe, właściwości optyczne, materiały hybrydowe, polimery optoelektroniczne, grafen, polimery sprzężone, heterostruktura wielowarstwowa
