二维材料在电子工程中的应用

二维（二维）材料的技术发展为电子行业带来了广泛的可能性。2D材料由具有卓越的电子，热，光学和机械特性的单原子层组成。本文将探讨这些奇妙材料的一些最有前途的应用。

是什么使2D材质独特？

2D材料的独特特性源于以下事实：材料的特定属性（例如，它们的电导率和与光的相互作用）在纳米级（nm）会发生显着变化。（考虑到1 nm等于1 / 1,000,000 mm，或者换句话说，它比一根头发细约100,000倍。）

2D材料非常薄且轻巧，具有出色的导电性，并且在10 nm以下（传统半导体材料开始失效的位置）以下尺寸时稳定。石墨烯，硅烯，锗烯和磷烯是研究最多的2D材料。这些概述如下。

石墨烯晶格结构的原子图：二维材料中的关键材料。图片来源：Pixabay。

石墨烯

2004年，第一个要合成的2D材料是石墨烯。石墨烯是一种碳同素异形体，由厚度为0.14 nm的单层碳原子组成。它们形成一个二维六边形矩阵，允许电子以非常高的速度移动通过石墨烯，从而赋予其出色的导热性。石墨烯也是高度透明的：它仅吸收可见光谱中约2％的入射光。

硅烯

另一种2D材料，硅烯，由硅原子的单层组成，比石墨烯薄（尽管比后者更难合成）。与石墨烯不同，硅石不是严格的平面材料。相反，它在原子级别具有“扭曲蜂窝”晶格结构。这种结构赋予硅树脂出色的磁性，隔热性，可调节的带隙和高机械强度。

锗烯

锗烯是石墨烯的较重类似物，于2014年首次合成。像硅烯一样，它的特征还在于具有屈曲角度的带扣晶格结构，从而使带隙可调。锗烯是2D 拓扑绝缘体和活性光学材料。

磷烯

磷是一种源自磷的二维材料。它由单层黑磷组成，这是一种磷的同素异形体，其原子具有弱的范德华力。磷具有电，光和紫外线吸收特性（与石墨烯相当）。

2D材料可用于设计用于计算应用的强大晶体管。图为：中央处理器的特写。图片来源：Pexels。

二维材料的光电应用

诸如硅，锗和磷的2D材料在光电应用中具有令人感兴趣的潜力：这些材料包括光信号处理器，发光二极管和光伏电池。由于其取决于层和最佳尺寸的带隙，这些2D材料具有出色的光学和电子特性。接下来的三个部分介绍了其他一些应用领域。

消费类电子产品

石墨烯也已被用于涂覆诸如智能手机之类的消费电子产品的触摸屏，以提高其触摸灵敏度。铟锡氧化物（使用的常规材料）具有相似的导电性，但比石墨烯脆得多。由于其重量轻，因此2D材料也适用于设计柔性，可穿戴技术。

电脑运算

石墨烯是微电子工业中研究最多的2D材料之一。它以其薄度，出色的导热性和纳米级稳定性的独特组合而闻名。2008年，曼彻斯特大学的研究人员通过用单个晶体管（大约分子大小）将微小的电子电路雕刻到材料中，从而创造了世界上最小的晶体管。

2015年，由得克萨斯大学奥斯汀分校电气和计算机工程教授Deji Akinwande团队的科学家发现了一种利用硅的电特性来生产非常快的开关晶体管的方法，该晶体管比传统类型的晶体管更小，更高效。

该团队开发了一种新的方法来开发硅层，同时最大程度地减少材料在空气中的暴露。为了实现这一目标，研究小组在真空环境下将热的硅原子蒸气冷凝在结晶的银块上。然后，他们在银薄层上形成了一个原子厚的硅烯，并在其顶部沉积了1纳米厚的氧化铝层。结果是将硅树脂夹在两个保护层之间，该保护层可以轻松转移到氧化硅衬底上，从而设计出硅场效应晶体管。

能源应用

二维材料的另一有希望的应用涉及能源行业。麻省理工学院的研究人员设计了石墨烯涂层的太阳能电池，该技术几乎可以安装在任何表面上，包括窗户，墙壁，消费电子产品的表面，甚至是纸张。

此外，使用石墨烯作为可充电电池（请参阅石墨烯电池）的电极，即使与锂离子电池相比，也可以显着提高该技术的充电速度，存储容量和使用寿命。与标准双电层电容器（或EDLC）材料相比，石墨烯片还可以产生具有明显更高能量密度的超级电容器，同时极大地减小了尺寸和重量。

石墨烯的另一个有趣的应用涉及燃料电池。石墨烯具有相当大的表面积，这使其成为出色的低成本替代材料。而且，质子可以穿过石墨烯，这通过降低燃料穿越而提高了燃料电池效率。

加剧竞争：与轻质，坚固的石墨烯板相比，钢板（如图）更重，更弱。后者还具有出色的导电性。

2D材料当前和未来潜力

尽管正在广泛研究2D材料（如硅烯和锗烯）的出色性能，但目前石墨烯以外的科学知识仍然有限。尽管如此，这些材料显示出提高现有电子应用效率的巨大希望。

最重要的是，还有更多的2D材料出现。根据著名科学家的研究，有多达6,000种类似于石墨烯的2D材料。纳米电子学是一个快速发展的领域，将随着电子学的不断小型化和高效化而迅速普及并最终颠覆一些传统的技术领域。