Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Materialele calcogenice 2D: Deschizānd calea pentru aplicații revoluționare

01 August 2023



În ultimii ani, domeniul științei materialelor a fost martorul unei revoluții datorită descoperirii materialelor bidimensionale (2D). Printre aceste materiale fascinante găsim grafena, nitrura de bor hexagonală (h-BN), fosforul negru sau fosforena (BP), dar și materialele calcogenice 2D. Acestea din urmă reprezintă familia cu cea mai mare diversitate de structuri cristaline disponibile, având proprietăți unice care le fac potrivite pentru aplicații în electronică, stocarea energiei, senzori și multe altele. Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) își concentrează, cu bune rezultate, o parte din activitatea de cercetare în direcția producerii de materiale calcogenice stratificate și folosirii acestora în diverse aplicații, cum ar fi senzori și memristorii.

Materialele calcogenice bidimensionale fac parte dintr-o clasă de compuși care conțin unul sau mai multe elemente calcogene (sulf (S), seleniu (Se) sau telur (Te)), în combinație cu alte elemente, cum ar fi metalele de tranziție, elemente din grupa a III-a, a IV-a sau a V-a din tabelul periodic al elementelor. Cele mai cunoscute dintre acestea sunt dicalcogenurile metalelor de tranziție (în engleză „Transition Metal Dichalcogenides” - TMD-uri). Aceste materiale sunt compuși de forma MX2, unde M este un metal de tranziție iar X un calcogen, dintre care MoS2, WS2, MoSe2 și WSe2 au fost intens studiate. TMD-urile au structuri stratificate, asemănătoare unor foi de atomi legate între ele prin forțe slabe de tip van der Waals (figura 1a). Legătura covalentă puternică din interiorul straturilor (figura 1b) contribuie la o stabilitate remarcabilă, în timp ce interacțiunile slabe dintre straturi permit izolarea de straturi subțiri bidimensionale. Această structură stratificată conferă proprietăți electronice importante, precum benzi interzise reglabile și mobilitate ridicată a purtătorilor de sarcină.



În forma 2D, proprietățile electronice ale TMD-urilor variază considerabil, de la izolatoare (HfS2), la semiconductoare (MoS2, WSe2), semimetalice (WTe2) sau metalice (TiS2). Aceste caracteristici, împreună cu proprietățile optice neliniare, fac din TMD-uri materiale promițătoare pentru noi domenii de studiu în fizica materialelor, dar și pentru îmbunătățirea capacităților dispozitivelor optoelectronice. De exemplu, tranzistorii bazați pe TMD-uri au demonstrat performanțe impresionante în ceea ce privește consumul redus de energie și mobilitate ridicată a purtătorilor de sarcină, caracteristici cruciale pentru componentele electronice din circuitele integrate avansate.
O altă subclasă de materiale calcogenice bidimensionale sunt monocalcogenurile de tipul AX, unde A este un element din grupa a III-a (de exemplu Ga) sau a IV-a (de exemplu Ge sau Sn). În timp ce GaS și GaSe sunt semiconductori de bandă largă, GeSe și SnSe sunt semiconductori cu o structură asemănătoare cu aceea a fosforenei. Această structură ortorombică a monocalcogenurilor cu elemente din grupa a IV-a este puternic anizotropă oferind proprietăți optice și electronice dependente de direcție, făcându-le potrivite pentru aplicații în spintronică și celule fotovoltaice. Ultima subclasă de materiale calcogenice 2D sunt materialele de forma B2X3, unde B este un element din grupa a V-a (de exemplu Bi2Se3 sau In2Se3). Aceste materiale sunt în general semiconductori de bandă îngustă cu proprietăți termoelectrice sau de izolatori topologici.
Materialele calcogenice bidimensionale sunt obținute în mod obișnuit prin tehnica numită „exfoliere”. Exfolierea implică separarea mecanică sau chimică a straturilor atomice subțiri din materiale masive. Una dintre metodele uzuale de exfoliere implică utilizarea unei benzi adezive pentru a desprinde straturi subțiri dintr-un cristal. Această metodă, cunoscută sub numele de „metoda scotch tape”, a fost fundamentală în izolarea primului material 2D, grafena. Cu toate acestea, datorită naturii materialelor calcogenice, au fost dezvoltate metode alternative precum exfolierea în fază lichidă și transportul fizic al vaporilor sau depunerea chimică din fază de vapori (CVD). Aceste metode permit producerea de materiale 2D calcogenice în cantități mai mari, pe suprafețe mai mari și cu un control mai bun al grosimii straturilor subțiri obținute.
Un domeniu deosebit de important în care sunt folosite materiale calcogenice 2D este cel al memristorilor. Memristorii, denumiți și rezistoare cu memorie, sunt dispozitive electronice cu două terminale care prezintă comutarea rezistenței în funcție de istoricul tensiunii aplicate. Această proprietate îi face candidați ideali pentru noua generație de dispozitive de memorie nevolatilă, dar și pentru calculul neuromorf, deoarece pe lângă stocare pot și să proceseze informația, eliminând astfel transportul datelor dintre discul de stocare și procesor așa cum se întâmplă în arhitecturile de calcul actuale. Astfel, pot emula comportamentul sinaptic și pot permite dezvoltarea de sisteme de inteligență artificială cu eficiență energetică ridicată. Memristorii bazați pe materialele calcogenice bidimensionale au un consum redus de energie, viteza mare de comutare și stabilitate pe termen lung.

Preocupări INCDFM într-un domeniu-cheie pentru evoluția tehnologiilor viitorului

În Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) suntem interesați de producerea de materiale calcogenice stratificate și folosirea acestora în diverse aplicații, cum ar fi senzori și memristorii. Câteva dintre materialele calcogenice stratificate obținute în INCDFM sunt arătate în figura 2.



Am folosit cu succes metoda exfolierii în lichid pentru a obține nano-plachete de MoS2 și WS2 [1]. Acestea au fost selectate pe dimensiuni și îmbogățite în monostraturi folosind centrifugarea în cascadă. Apoi, am construit dispozitive cu două terminale, care au prezentat un efect nevolatil de comutare a rezistenței. Tensiunile de programare foarte mici de 0,55 V și 0,35 V pentru MoS2 și respectiv WS2, demonstrează eficiența energetică ridicată a acestor dispozitive.
De asemenea, am obținut prin intermediul unei metode de transport fizic al vaporilor (în engleză Physical Vapor Transport - PVT) plachete hexagonale de seleniură de crom (figura 2b) cu dimensiune laterală de ordinul micrometrilor [2]. Nano-plachetele au fost transferate pe contacte din aur folosind o metodă de uscată de transfer, obținându-se astfel un senzor de temperatură criogenică. Măsurătorile de rezistivitate efectuate au arătat că sensibilitatea senzorului, calculată pe o gamă largă de temperaturi criogenice, este mai mare decât sensibilitatea termometrelor folosite în mod obișnuit în industrie și cercetare, acesta fiind capabil să măsoare temperaturi până la zecimi de Kelvin.
Aceeași metodă, PVT la presiune atmosferică, am folosit-o pentru sinteza de plachete ortorombice de SnSe orientate de-a lungul axei cristaline a ([100]). Proprietatea de comutare a fost confirmată prin măsurători electrice ale dispozitivelor. Memristorii, obținuți utilizând nano-plachetele de SnSe, au un curent de funcționare de 10-4 A, similar cu al altor memristori construiți din TMD-uri, dar au un consum mai mic de energie, având o tensiune de prag de 3 V. Conductivitatea electrică superioară a axelor b și c este responsabilă pentru tensiunea de prag scăzută a dispozitivului construit.
Materialele calcogenice bidimensionale reprezintă un domeniu fascinant din știința materialelor. Pe măsură ce cercetarea în acest domeniu avansează, ne putem aștepta la descoperiri și inovații care vor dezvălui întregul potențial al acestora. De la electronica flexibilă la soluții avansate de stocare a energiei și senzori, aceste materiale remarcabile dețin cheia dezvoltării tehnologiilor viitorului. Memristorii promit să revoluționeze dispozitivele de memorie și calculul neuromorf, deschizând calea către sisteme de calcul mai eficiente și puternice în anii ce vor urma, iar materialele calcogenice bidemensionale sunt cele mai potrivite pentru implementarea acestor dispozitive.
O parte dintre rezultatele prezentate în acest articol au fost obținute în cadrul proiectului M-ERA.NET 109 din 01/09/2019 (ERANET-M.-2D-SPIN-MEM) cu titlul „Materiale 2D funcționale și heterostructuri pentru dispozitive spintronice-memristive”, finanțat de Ministerul Cercetării, Inovării și Digitalizării.

Referințe
1. C. Mihai, F. Sava, A.C. Galca, A. Velea, Low power non-volatile memory switching in monolayer-rich 2D WS2 and MoS2 devices, AIP Advances 10 (2020) 025102. https://doi.org/10.1063/1.5140717.
2. A.-T. Buruiana, F. Sava, N. Iacob, E. Matei, A.E. Bocirnea, M. Onea, A.-C. Galca, C. Mihai, A. Velea, V. Kuncser, Micrometer Sized Hexagonal Chromium Selenide Flakes for Cryogenic Temperature Sensors, Sensors 21 (2021) 8084. https://doi.org/10.3390/s21238084.
3. A.T. Buruiana, A.E. Bocirnea, A.C. Kuncser, T. Tite, E. Matei, C. Mihai, N. Zawadzka, K. Olkowska-Pucko, Ł. Kipczak, A. Babiński, M.R. Molas, A. Velea, A.C. Galca, Layered SnSe nanoflakes with anharmonic phonon properties and memristive characteristics, Applied Surface Science 599 (2022) 153983. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153983.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite