Van-der-Waals (vdW) Heterostrukturen, die durch das Stapeln von 2D-Materialien gebildet werden, bieten erhebliche Vorteile für die Entwicklung neuer optoelektronischer Geräte. Diese heterogenen Strukturen eröffnen neue Möglichkeiten, die Eigenschaften von Bauelementen zu optimieren, indem sie die einzigartigen elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der einzelnen Schichten kombinieren. Eine der wichtigsten Eigenschaften von vdW-Heterostrukturen ist die Eliminierung des Problems der Gitterfehlanpassung, was zu einer verbesserten Funktionalität führt.

Die Wechselwirkungen zwischen den 2D-Schichten in einer vdW-Heterostruktur sind entscheidend für die Verbesserung der Oberflächenanregung und der Lichtempfindlichkeit der Geräte. Insbesondere führen die Interaktionen in 2D-2D-Schichtgrenzen zu einer besseren Reaktion auf Licht und bieten gleichzeitig überlegene elektronische Eigenschaften. Dies verbessert die Kompatibilität der Bauelemente und ermöglicht eine größere Flexibilität in ihrer Anwendung. In Kombination mit Halbleitermaterialien bieten Graphen und seine Hybriden mit Halbleitern neue Möglichkeiten für optoelektronische Geräte, da sie das Problem des Fehlens einer Bandlücke in Graphen überwinden.

In der Tat haben optoelektronische Geräte auf Graphenbasis bereits konkurrenzfähige Leistungsniveaus gezeigt, die mit denen herkömmlicher Halbleitergeräte vergleichbar sind. Dies ist vor allem auf die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von 2D-Halbleitermaterialien (2D SCMs) zurückzuführen, die Charge-Träger-Mobilitäten erhöhen, die optische Absorption verbessern, das Antwortspektrum erweitern und gleichzeitig den Dunkelstrom und die Antwortzeit reduzieren.

Ein weiteres bedeutendes Merkmal von vdW-Heterostrukturen ist ihre Bandausrichtung, die eine Schlüsselrolle beim Verständnis der Gesamtleistung der Geräte spielt. Diese Bandausrichtungen lassen sich in drei Haupttypen unterteilen: Typ I (straddling), Typ II (staggered) und Typ III (broken-gap). Typ-I-Ausrichtungen sind besonders vorteilhaft für lichtemittierende Anwendungen, während Typ-II-Ausrichtungen in hybriden und empfindlichen Fotodetektionsanwendungen häufig verwendet werden. Typ-III-Ausrichtungen hingegen sind für niedrige Leistungsoptotechnologien wie Tunnel-Feldeffekttransistoren geeignet.

Die Herstellung von vertikalen vdW-Heterostrukturen wird zunehmend durch mechanisches Stapeln erreicht, was eine hohe Mobilität der Ladungsträger und eine geringe Rauheit bei gleichzeitig verbesserter chemischer Stabilität ermöglicht. Das Beispiel von Dean et al. zeigt, dass vertikale Graphenbauelemente auf h-BN-Schichtsubstraten die Leistung im Vergleich zu traditionellen Substraten wie SiO2 oder Ge erheblich steigern. Li et al. erweiterten diese Technik durch das gezielte Mustern von Nucleationsstellen auf Monolagen- oder Bilyagenschichten von Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDCs) und erzeugten so verschiedene 2D-vdW-Heterostrukturen wie VSe2/WSe2 und NbTe2/WSe2. Diese Entwicklungen bieten neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Bauelementen, die die Eigenschaften der einzelnen Materialien optimal nutzen.

Ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit optoelektronischer Geräte ist die Verwendung von 1D–2D-Heterojunktionen. So zeigen Bauelemente wie die Te-ReS2 p-n-Heterojunktion eine ultrafast Reaktion auf Licht mit einer Bildantwortgeschwindigkeit von nur 5 ms und einer Responsivität von 180 A/W. Diese Eigenschaften machen sie zu idealen Kandidaten für Hochgeschwindigkeitsdetektionssysteme. Weitere bemerkenswerte Entwicklungen umfassen die vertikalen Heterojunktionen von MoS2/WS2, die eine herausragende Empfindlichkeit über ein breites Spektrum von Wellenlängen hinweg aufweisen und eine Reaktionsgeschwindigkeit von etwa 3 ns erreichen.

Der Einsatz von 2D-Materialien in optoelektronischen Geräten hat das Potenzial, den Bereich der Photodetektoren und Solarzellen zu revolutionieren. Zum Beispiel könnten MoSe2/WS2-Strukturen als kostengünstigere Alternative zu teuren Pt-Elektroden in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen (DSSCs) und für Wasserstoffentwicklungsreaktionen dienen. Diese innovativen Mikrostrukturen sind nicht nur kostengünstiger, sondern bieten auch eine verbesserte Leistung bei gleichzeitig verringerter Umweltauswirkung.

Das Verständnis der Materialauswahl und der Wechselwirkungen zwischen den Schichten ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger optoelektronischer Bauelemente. Die Wahl der richtigen Materialien und ihre Anordnung in vdW-Heterostrukturen kann nicht nur die Leistung steigern, sondern auch die Anwendungsmöglichkeiten von Geräten erheblich erweitern. Insbesondere die Weiterentwicklung der Fertigungstechniken, die auf Nanofabrikation und automatisierten Montagemethoden beruhen, könnte einen erheblichen Fortschritt in diesem Bereich darstellen.

Wie funktionieren ferroelektrische Tunnelübergänge und ihre Anwendungen in der Nanoelektronik?

Ferroelektrische Tunnelübergänge (FTJs) stellen eine vielversprechende Technologie dar, die auf der Nutzung von ferroelektrischen Materialien beruht, deren spontane Polarisation zwischen zwei stabilen Zuständen umgeschaltet werden kann. Diese Umschaltbarkeit erzeugt eine signifikante Veränderung im Tunnelstrom, was als Tunnel-Elektrowiderstandsverhältnis (TER) bezeichnet wird und eine fundamentale Größe für nichtflüchtige Speichergeräte darstellt. Im Aufbau eines FTJs befindet sich eine dünne ferroelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden, die stark dotiert sind und den Tunnelbarrierenmechanismus steuern. Die Ersetzung herkömmlicher dreidimensionaler ferroelektrischer Barrieren durch zweidimensionale Van-der-Waals-Materialien ermöglicht eine drastische Verkleinerung der Bauelementgröße, ohne Einbußen beim TER, was den Weg für ultraschnelle, hochdichte Speicher mit niedrigem Energieverbrauch ebnet.

Der Funktionsmechanismus basiert auf dem quantenmechanischen Tunnelstrom von Ladungsträgern durch die ferroelektrische Schicht, deren Potentialprofil asymmetrisch wird, wenn die Polarisation umgeschaltet wird. Diese Asymmetrie entsteht durch die wechselnde Ladungsverteilung an den Elektrodenoberflächen, die durch die Polarisationsrichtung bestimmt wird. Die elektrostatische Potenzialverteilung hängt dabei von mehreren Parametern ab, wie der effektiven Polarisationsdichte an den Grenzflächen, der Dielektrizitätskonstanten des ferroelektrischen Materials und der Screening-Länge der Elektroden. Diese Faktoren beeinflussen maßgeblich die Höhe und Form der Tunnelbarriere, was wiederum die Leitfähigkeit stark moduliert. Mathematisch lässt sich das TER-Verhältnis durch Näherungen wie die Wentzel–Kramers–Brillouin-Methode beschreiben, wobei kleine Differenzen in der Barrierenhöhe exponentiell große Änderungen im Tunnelstrom bewirken.

Neben FTJs gewinnen auch ferroelektrische Feldeffekttransistoren (Fe-FETs) zunehmend an Bedeutung. Sie integrieren eine ferroelektrische Schicht in den Gate-Stack und ermöglichen die Steuerung des Kanalstroms durch die Polarisationszustände. Dies führt zu einem nichtflüchtigen Schaltverhalten und erlaubt speicherdichte, schnelle und energieeffiziente elektronische Bauelemente. Allerdings stellen Herausforderungen wie Depolarisationsfelder, Ladungstrapping an den Grenzflächen sowie unerwünschte Schwankungen der Schwellspannung wesentliche Einschränkungen dar. Um diese Probleme zu adressieren, wird beispielsweise vorgeschlagen, ferroelektrische Materialien direkt als Halbleiterkanal zu verwenden, was die interne Abschirmung der Depolarisationsfelder durch bewegliche Ladungen verbessert und die Stabilität des Schaltverhaltens erhöht.

Neuere Studien zeigen, dass die Polarisation in solchen ferroelektrischen Halbleitern an den Oberflächen akkumuliert und dadurch die Ladungsträgerdichte und der Drainstrom stark beeinflusst werden. Die Abhängigkeit der Hystereseschleife vom elektrischen Feld und der Dicke der Isolatorschicht unterstreicht die komplexen Wechselwirkungen zwischen Materialparametern und Bauelementfunktion. Ferner zeigen monolagige Materialien wie MoS2 in Kombination mit Polymeren als Ferroelektrika vielversprechende Ergebnisse mit großen Speicherspannungsfenstern und hohen An/Aus-Verhältnissen, was die Integration in künftige Nanoelektronik begünstigt.

Ferroelektrische Tunnelübergänge und Feldeffekttransistoren bilden zusammen mit der Entwicklung von 2D-Materialien die Grundlage für eine neue Generation von elektronischen Bauelementen, die durch ihre atomare Dünnheit, hohe Mobilität, und die Möglichkeit zur elektronischen Bandstrukturkontrolle hervorstechen. Solche Geräte sind nicht nur für konventionelle Speichertechnologien interessant, sondern eröffnen auch Perspektiven in Bereichen wie neuromorphes Computing, wo biologische Informationsverarbeitung nachgeahmt wird. Die Herausforderung besteht darin, die komplexen Kopplungen zwischen strukturellen, elektrischen und elektronischen Eigenschaften in dünnen Schichten zu verstehen und zu kontrollieren.

Wichtig ist, dass die Performance dieser Bauelemente stark von der präzisen Kontrolle der Grenzflächen, der Materialqualität und der Dotierung abhängt. Die Relaxation atomarer Koordinaten bei makroskopischer Dehnung und die daraus resultierende Änderung der internen Polarisationszustände müssen berücksichtigt werden, da sie die energetischen und elektronischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Zudem spielt das Zusammenspiel zwischen Ferroelektrizität und Ladungstransportmechanismen eine zentrale Rolle, um die Stabilität und Zuverlässigkeit im Betrieb sicherzustellen. Daher ist ein tiefgehendes Verständnis sowohl der Quantenmechanik als auch der Materialphysik der 2D-Ferroelektrika unerlässlich, um das volle Potenzial dieser Technologien auszuschöpfen.

Wie 2D-Halbleitermaterialien die Entwicklung von Memristoren vorantreiben

Mit der rasanten Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologie stößt die traditionelle Halbleitertechnik, insbesondere die auf CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) basierenden Speichertechnologien, zunehmend an ihre Grenzen. Moore’s Gesetz, das die Verdopplung der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre voraussagt, verliert seine Gültigkeit, da die Miniaturisierung der Transistoren zunehmend schwieriger wird. In diesem Kontext gewinnen neue Speichertechnologien an Bedeutung, insbesondere solche, die auf memristiven Prinzipien basieren. Diese sogenannten Memristoren bieten vielversprechende Eigenschaften in Bezug auf Speicherdichte, Energieverbrauch, Schreib-/Lesegeschwindigkeit, Löschzeit und Datenspeicherung. Die geringe Größe, die einfache Herstellung und die Skalierbarkeit von Memristoren machen sie zu einer der vielversprechendsten Technologien für die nächste Generation der Elektronik.

Memristoren sind nicht nur als nichtflüchtige Speichertechnologien von Interesse, sondern finden auch Anwendung in nichtflüchtigen logischen Operationen und neuromorphen Berechnungen. Bei nichtflüchtigen logischen Operationen können Memristoren helfen, das von Neumann-Engpassproblem zu überwinden, das durch die Trennung von Rechen- und Speicherfunktionen in herkömmlichen Computerarchitekturen verursacht wird. In der neuromorphen Berechnung simulieren Memristoren biologische Synapsen mit nichtflüchtigem synaptischen Gewicht, synaptischer Plastizität, nanoskaliger Größe, geringem Energieverbrauch und der Fähigkeit zur großflächigen Integration.

Obwohl die genaue Definition eines Memristors nach wie vor schwer fassbar ist, lässt sich im Allgemeinen sagen, dass alle Zwei-Terminal-NVM (Non-Volatile Memory)-Geräte, die auf Widerstandsschaltmechanismen basieren, als Memristoren betrachtet werden können. Dazu gehören nicht nur Widerstandsspeicher (RRAM) und Phasenwechsel-Speicher (PCM), sondern auch Thermistoren, Gasentladungslampen und spintronic-gestützte Speichergeräte. Der bekannteste Begriff des Memristors wurde von Leon Chua geprägt, der festlegte, dass alle Zwei-Terminal-NVM-Geräte mit Widerstandsschaltung als Memristoren gelten, unabhängig von den verwendeten Materialien oder den physikalischen Betriebmechanismen. Experimentell lässt sich ein Memristor an einer charakteristischen Hystereseschleife der I–V-Kurve erkennen.

Eine typische Struktur eines Memristors besteht aus drei Hauptkomponenten: einer oberen Elektrode (TE), einer aktiven Schicht (RS-Schicht) und einer unteren Elektrode (BE). Der Widerstand der Memristoren kann zwischen einem Hochwiderstands-Zustand (HRS) und einem Niedrigwiderstands-Zustand (LRS) umgeschaltet werden, indem eine Spannung zwischen der oberen und der unteren Elektrode angelegt wird. Frühe Memristoren bestanden oft aus Metal-Oxid-Metall-Strukturen, wobei Materialien wie TiOx, HfOx, AlOx und TaOx als aktive Schicht verwendet wurden. Allerdings stießen Memristoren auf Basis von Metalloxiden aufgrund instabiler Widerstandsschaltverhalten und schwieriger Miniaturisierung auf Grenzen. Diese Materialien führten zu Problemen wie großen Leckströmen und kleinen Schaltfenstern.

In den letzten Jahren hat die Verwendung von 2D-Materialien als aktive Schicht in Memristoren zunehmendes Interesse gefunden. 2D-Materialien, wie MoS2, h-BN und ihre Monoschichten, haben herausragende elektrische, optische, mechanische und thermische Eigenschaften und bieten eine ausgezeichnete Skalierbarkeit, die sie für neuartige Gerätetechnologien besonders geeignet macht. 2D-Materialien bieten nicht nur verbesserte Stabilität im Vergleich zu traditionellen Memristoren, sondern auch eine höhere On/Off-Verhältnis. Ein Beispiel hierfür ist ein Memristor, der auf 2D SnS basiert und ein On/Off-Verhältnis von 10^8 zeigt – deutlich höher als das von 3D-Memristoren.

Die Vorteile von 2D-Materialien im Vergleich zu traditionellen Metalloxid-Schichten liegen in der homogenen Struktur und den geringeren Defekten, die die Widerstandsschaltverhalten instabil machen. Dies ermöglicht es, die Leistung von Memristoren zu steigern und ihre Skalierbarkeit zu verbessern. Es wird zunehmend deutlich, dass viele 2D-Materialien, die dieses Widerstandsschaltverhalten aufweisen, Halbleiter sind. Memristoren, die auf diesen Materialien basieren, zeigen nicht nur eine verbesserte Schaltstabilität, sondern auch eine längere Lebensdauer und geringeren Energieverbrauch.

Ein weiterer Vorteil von 2D-Materialien ist ihre hohe Integrationsfähigkeit in moderne Fertigungsprozesse. 2D-Materialien lassen sich mit herkömmlichen Halbleitertechniken kombinieren und in bestehende CMOS-Technologien integrieren, wodurch eine nahtlose und kostengünstige Skalierung möglich ist. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Memristoren in großem Maßstab und ihre Verwendung in komplexen integrierten Schaltungen.

Die Entdeckung und Entwicklung von Memristoren, die auf 2D-Halbleitermaterialien basieren, stellt einen bedeutenden Schritt in der Zukunft der Speicher- und Berechnungstechnologien dar. Memristoren auf Basis von 2D-Materialien haben das Potenzial, nicht nur als Speicherkomponenten, sondern auch als logische Bausteine in neuartigen Computermodellen und in neuromorphen Systemen verwendet zu werden. Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung in diesem Bereich wird voraussichtlich neue Anwendungen in der Quanten- und Bioelektronik sowie in der künstlichen Intelligenz ermöglichen.

Die Fortschritte in der 2D-Materialforschung und der Entwicklung von Memristoren bieten nicht nur einen praktischen Nutzen für die Halbleiterindustrie, sondern können auch langfristig zu einer Revolution in der Art und Weise führen, wie Speicher und Berechnungen in modernen Computern und elektronischen Geräten durchgeführt werden.

Wie Solare Energie in Energiespeicher- und Umwandlungssystemen genutzt wird: Eine Betrachtung von 2D Halbleitermaterialien

Die rapide Zunahme der Weltbevölkerung hat die globale Nachfrage nach Energie sowohl im häuslichen als auch im industriellen Bereich erheblich gesteigert. Diese wachsende Nachfrage hat zur Folge, dass die Menschheit nach wie vor stark auf fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung angewiesen ist. Doch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht erhebliche Umweltprobleme, insbesondere in Form von CO2-Emissionen, die als Hauptursache für Luftverschmutzung und den Klimawandel gelten. Angesichts dieser globalen Herausforderungen hat die Vereinten Nationen in ihren Zielen für nachhaltige Entwicklung, insbesondere in SDG 7 (bezahlbare und saubere Energie) und SDG 13 (Maßnahmen gegen den Klimawandel), die dringende Notwendigkeit betont, den Übergang von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren und umweltfreundlichen Energiequellen zu vollziehen. Die Nutzung grüner Energiequellen, wie Solarenergie, hat dabei große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da diese eine nachhaltige und praktisch unerschöpfliche Quelle für Energie darstellt.

Solarenergie ist eine der vielversprechendsten Formen der erneuerbaren Energie, die uns zur Verfügung steht. Der Energieverbrauch der Erde durch Sonneneinstrahlung ist gigantisch und übersteigt den weltweiten Energiebedarf bei weitem. Dennoch gibt es weiterhin Hürden bei der effizienten Nutzung dieser Energiequelle. Eine der größten Herausforderungen ist die intermittierende Natur der Sonnenenergie. Diese ist nur tagsüber verfügbar und kann in den Nächten oder bei schlechtem Wetter nicht genutzt werden. Daher wird weltweit intensiv daran geforscht, Solarenergie effizient zu speichern und zu konvertieren, um sie auch in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung nutzen zu können.

In den letzten Jahren haben sich Solarzellen, Solar-Superkondensatoren und photorechargeable Batterien als vielversprechende Technologien entwickelt, um diese Problematik zu überwinden. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Systeme ist der Einsatz von nanostrukturierten Halbleitermaterialien, die als Fotoelektroden fungieren. Diese Materialien haben die Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Eine der bekanntesten Substanzen in diesem Bereich ist Titandioxid (TiO2), ein Halbleiter, der in vielen Solarzellen verwendet wird. Dennoch besitzt TiO2 einen breiten Bandabstand, was bedeutet, dass es nur unter UV-Licht effektiv arbeitet, das jedoch nur einen kleinen Teil des gesamten Sonnenlichtspektrums ausmacht. Deshalb wird intensiv daran gearbeitet, Halbleitermaterialien zu entwickeln, die auch mit sichtbarem Licht aktiv sind, um die Effizienz der Solarenergieumwandlung zu steigern.

2D Halbleitermaterialien, wie Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), Metall-Sulfide (z.B. MoS2) und metallfreie Halbleiter (z.B. g-C3N4), haben sich als hervorragende Kandidaten für die Anwendung in Solarenergieumwandlungssystemen herausgestellt. Diese Materialien besitzen außergewöhnliche Eigenschaften, wie eine hohe spezifische Oberfläche und ein breites optoelektronisches Spektrum, was sie ideal für die Verwendung in hybriden Energiespeicher- und Umwandlungssystemen macht. Ihre Struktur ermöglicht eine verbesserte Effizienz in der Lichtabsorption und Elektronentransport, was zu einer besseren Leistung in Photokatalyseprozessen und in Solarzellen führt. 2D Halbleitermaterialien haben das Potenzial, nicht nur in Solarzellen, sondern auch in optoelektronischen Anwendungen wie LEDs, Faserkabelkommunikation und Thermografie verwendet zu werden.

Ein entscheidender Vorteil dieser Materialien ist ihre Vielseitigkeit. Aufgrund ihrer besonderen elektronischen und optischen Eigenschaften lassen sich 2D Halbleiter für eine Vielzahl von Anwendungen anpassen und optimieren. Beispielsweise kann durch die Variation ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur die Bandlücke gezielt verändert werden, was den Wirkungsgrad der Energieumwandlung steigern kann. Solche Materialmodifikationen sind ein aktives Forschungsgebiet, und es sind bereits vielversprechende Fortschritte bei der Herstellung von 2D Halbleitermaterialien erzielt worden, die in den kommenden Jahren zu einer deutlichen Verbesserung der Effizienz von Solarenergieumwandlungs- und Speichersystemen führen könnten.

Neben der Forschung an den Materialien selbst wird auch an der Weiterentwicklung der Geräte gearbeitet. Solarzellen, Superkondensatoren und photorechargeable Batterien bieten enorme Vorteile in der Energiewandlung und -speicherung, da sie in der Lage sind, die gesammelte Solarenergie effizient zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Solche Systeme bieten eine nachhaltige Lösung für die Problematik der intermittierenden Energieversorgung und könnten dazu beitragen, den globalen Energiebedarf auf umweltfreundlichere Weise zu decken.

Die Entwicklung von 2D Halbleitermaterialien und deren Anwendung in Solarenergieumwandlungssystemen ist eine vielversprechende Richtung, die in der Zukunft noch erheblich ausgebaut werden könnte. Es ist jedoch auch wichtig zu verstehen, dass die Skalierung und Wirtschaftlichkeit dieser Technologien noch eine Herausforderung darstellt. Die Herstellung von 2D Halbleitermaterialien in großem Maßstab sowie die Integration dieser Materialien in bestehende Energiesysteme erfordern weitere Forschung und Entwicklung, insbesondere im Hinblick auf die Herstellungskosten und die Langlebigkeit der Geräte. Solange diese Herausforderungen nicht vollständig gemeistert sind, werden diese Technologien in kommerziellen Anwendungen weiterhin begrenzt bleiben.

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