De explosie van tweedimensionale gelaagde materialen (2DLM’s) met verschillende unieke eigenschappen biedt basisbouwstenen voor van der Waals heterostructuren (vdWH’s). De vdWH’s geïntegreerd met verschillende stapeluitlijningen van 2DLM’s vertonen veel veelbelovende functionaliteiten op diverse gebieden, waaronder elektronica, opto-elektronica, thermo-elektriciteit, detectie en energieconversie en -opslag. Bovendien maken de bijbehorende nieuwe fysische fenomenen in vdWH’s vdWH’s een perfect platform voor het verkennen van de fysica van de gecondenseerde materie, vooral in laag-dimensionale domeinen.
Om aan de eisen op verschillende gebieden te voldoen, zijn er in het afgelopen decennium veel strategieën voor de fabricage van vdWH’s ontwikkeld. De vdWH’s verkregen door verschillende fabricagestrategieën verschillen in belangrijke eigenschappen, zoals laagnummer, netheid, defectdichtheid en interface-uniformiteit, die hun toepassingsprestaties bepalen.
Publiceren in het tijdschrift Internationaal tijdschrift voor extreme productieheeft het team onder leiding van onderzoekers van de City University of Hongkong de huidige stand van zaken in de fabricage en toepassingen van vdWH’s samengevat om meer rationele ontwerpen van vdWH’s mogelijk te maken voor een diepere verkenning van de laagdimensionale wereld.
Het team introduceerde het mechanisme en het proces van belangrijke strategieën om vdWH’s te fabriceren, en vergeleek de belangrijkste kenmerken van vdWH’s die via verschillende methoden waren bereid. Vervolgens werden de mogelijke toepassingen van vdWH’s in elektronica, opto-elektronica, evenals energieconversie en -opslag gedemonstreerd. De moiré-superroosters gebaseerd op resonante emissies als vertegenwoordigers van opkomende nieuwe fysische fenomenen werden ook geïllustreerd. Tot slot werden de uitdagingen en mogelijke kansen van fabricages en toepassingen van vdWH’s geschetst.
De directeur van het onderzoeksteam, HE Qiyuan, zei: “Het is niet overdreven om te zeggen dat de opkomst van tweedimensionale materialen ons een nieuwe weg heeft geboden voor verdere verkenning van de wereld. Met de verkenning van 2D-materialen zijn onderzoekers begonnen werken aan het moduleren en optimaliseren van de eigenschappen en prestaties van 2D-materialen om te voldoen aan de vereisten van verschillende praktische toepassingen. Het integreren van verschillende 2D-materialen in vdWH’s is een van de meest veelbelovende strategieën.”
“VdWH’s verrijken niet alleen de 2D-materiaalbibliotheek enorm, maar gaan ook gepaard met tal van nieuwe en unieke fysische fenomenen en eigenschappen, zoals moirépatronen, synergistisch effect, fractal quantum hall-effect en resonant tunneling-fenomeen, waardoor vdWH’s een uitstekend platform zijn voor het bestuderen van fysica van de gecondenseerde materie. Bovendien is het ontwerpidee van vdWH’s praktisch niet beperkt tot 2D-materialen, en het toont ook een groot potentieel in collocaties van materialen in verschillende dimensies, waaronder 0D, 1D, 2D en 3D. Dit opent mogelijkheden om uitgebreide en coherente full-dimensionale fysieke modellen.”
Er is dus dringend behoefte aan het ontwikkelen van universele en controleerbare fabricagemethoden voor vdWH’s. Deze review bespreekt de stand van de techniek van de fabricage van vdWH’s, en de belangrijkste strategieën zijn onderverdeeld in vier klassen: fysieke combinatie, gasfase-afzetting, solvothermische synthese en synchrone evolutie.
Co-eerste auteur Ph.D. student QI Junlei zei: “De vdWH’s verkregen door verschillende fabricagemethoden hebben voor- en nadelen met betrekking tot hun kenmerken en prestaties. Daarom is het kiezen van geschikte synthetische methoden in verschillende toepassingsgebieden bijzonder cruciaal.”
Deze review illustreerde het integratieontwerp op basis van de vdWH’s in elektronica, fotodetectoren en energiegerelateerde toepassingen. Daarnaast besprak het het fundamentele onderzoek naar nieuwe fysische fenomenen die worden weergegeven door moiré-superrooster. Gecombineerd met de toepassingsvoorbeelden kan worden bewezen dat de geschikte toepassingen van vdWH’s verkregen door verschillende synthesemethoden behoorlijk verschillen.
Zo zijn relatief controleerbare mechanische samenstellingen ideaal voor het bestuderen van fysische fenomenen die hoogwaardige interfaces vereisen. Ondertussen zijn solvothermische methoden met hoge opbrengsten en meerdere actieve sites geschikter voor toepassingen zoals katalyse en energieopslag.
Dr. He zei: “Er is opmerkelijke vooruitgang geboekt in de fabricage en toepassingen van vdWH’s in het afgelopen decennium, maar onze opgraving van vdWH’s is nog steeds het topje van de ijsberg. Aan de ene kant een algemene synthetische methode voor het schaalbare en controleerbare ontwerpvoorbereiding van vdWH’s is nog niet gerealiseerd en de tegenstelling tussen hoge kwaliteit en hoge opbrengst blijft onopgelost.”
“Hoewel uitdagingen alomtegenwoordig zijn, hebben de prestaties van apparaten op basis van vdWH’s veel traditionele materialen overtroffen. Ze kunnen worden gebruikt om fysieke verschijnselen te onthullen en te bestuderen die conventionele methoden niet konden realiseren. Het valt niet te ontkennen dat vdWH’s een kracht zijn geworden waarmee rekening moet worden gehouden in multidisciplinair onderzoek en multifield toepassingen.”
Meer informatie:
Junlei Qi et al, Fabricage en toepassingen van van der Waals heterostructuren, Internationaal tijdschrift voor extreme productie (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acc8a1
Geleverd door International Journal of Extreme Manufacturing