Graphen-Quantenpunkte (GQDs) sind aufgrund ihrer einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften zu einem vielversprechenden Material für verschiedene Anwendungen geworden. Besonders in der Photovoltaik, der Photokatalyse und in elektrochemischen Energiespeichersystemen bieten sie erhebliche Vorteile. Ihre Verwendung in Solarzellen, sowohl in organischen als auch in anorganischen Systemen, hat zu signifikanten Verbesserungen der Energieumwandlungseffizienz geführt.

In der Forschung von Li et al. wurde eine Methode entwickelt, um GQDs mit gleichmäßiger Größenverteilung aus doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) herzustellen. Diese GQDs, die in Chlorbenzol dispergiert sind, erzeugen bei UV-Bestrahlung ein leuchtendes blaues Glühen. Besonders in Bulk-Heterojunction-Polymer-Solarzellen (PSC), die aus Poly(3-hexylthiophen):(6,6)-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (P3HT:PCBM) bestehen, wird die Energieumwandlungseffizienz (PCE) durch die Zugabe von GQDs deutlich gesteigert. Die Effizienz kann weiter erhöht werden, wenn der PCBM-Gehalt in der aktiven Schicht optimiert wird, was zu einer maximalen PCE von 5,24 % führt. Dieses ternäre System aus P3HT:PCBM:GQD bietet eine fortschrittliche Methode zur Verbesserung der Effektivität von PSCs. GQDs fördern die Trennung und den Transport von Ladungsträgern, was die Gesamtleistung der Solarzelle erhöht.

GQDs werden auch als Energiemehrwertschicht für Silizium-Solarzellen eingesetzt, um UV-Licht in den sichtbaren Bereich umzuwandeln. Da Silizium-Solarzellen aufgrund ihrer großen Bandlücke UV- und nahes UV-Licht nur ineffizient nutzen können, wird das GQD-Überlagerungslayer eingesetzt, um diese Spektren in sichtbares Licht umzuwandeln, das von den Solarzellen effektiv absorbiert werden kann. Bei derartigen Anwendungen ist es wichtig, dass GQDs im festen Zustand eine hohe Quantenausbeute (QY) aufweisen. Herkömmliche Beschichtungsmethoden von GQDs führen zu Aggregaten in der GQD-Überlage, wodurch die Leistung gehemmt wird. Zur Lösung dieses Problems wurde eine kontrollierte kinetische Sprühtechnik eingeführt, die eine gleichmäßige Dünnschicht von GQDs auf Silizium-Solarzellen bildet. Diese Technik verbessert die Leistung der Solarzellen um 2,7 %. Während GQDs durch das „Top-down“-Verfahren aus Graphen hergestellt werden, sind GQDs, die durch das „Bottom-up“-Verfahren synthetisiert werden, noch viel vielversprechender. Sie steigern die PCE von Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen (DSSCs) um 10 %, da ihre PLQY über 70 % beträgt.

Zusätzlich zur Verbesserung der UV-Lichtabsorption bieten GQDs eine Möglichkeit, den Abbau organischer Farbstoffe in DSSCs zu verringern. In DSSCs können GQDs auch als Kontratelektroden eingesetzt werden. Mit einer optimalen Menge an extrem kleinen GQDs wird eine poröse Struktur aus Lochgraphen erreicht, die eine hervorragende elektrokatalytische Reduktion von Iodid-Elektrolyten ermöglicht. Es ist wichtig zu beachten, dass die Leitfähigkeit reiner GQDs fast vernachlässigbar ist; daher wurde das GQD–lochgrafen Komposit einer thermischen Reduktionsbehandlung unterzogen, bevor es als Kontratelektrode in DSSCs verwendet wurde. Diese GQDs verstärken die Leitfähigkeit und die Gesamtfunktionalität der Elektrode. Es wurde festgestellt, dass die Größe der GQDs eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Morphologie der Kompositbeschichtung spielt. Die kleineren GQDs führten zu starker Phasentrennung und einer damit verbundenen porösen Orientierung, was zu einer verbesserten elektrokatalytischen Aktivität beiträgt.

In der Photokatalyse ermöglichen GQDs eine effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie. Der photocatalytische Abbau von organischen Schadstoffen und die Wasserspaltung können durch den Einsatz von GQDs erheblich verbessert werden. TiO2, ein häufig verwendeter Katalysator in dieser Technologie, leidet unter zwei wesentlichen Mängeln: Erstens kann TiO2 nur UV-Licht absorbieren, aufgrund seines breiten intrinsischen Bandabstands von 3,2 eV, und zweitens hat es eine niedrige Elektronenmobilität sowie eine hohe Rekombinationsrate von Elektron-Loch-Paaren, was die katalytische Aktivität verringert. Diese Einschränkungen werden durch die Bildung eines Komplexsystems mit GQDs gemildert, das die Absorption von sichtbarem Licht ermöglicht. Ein TiO2/GQD-Komposit hat in Experimenten zur Zersetzung von Methylenblau unter sichtbarem Licht eine photocatalytische Aktivität gezeigt, die neunmal höher war als die von reinem TiO2. Dies ist besonders relevant für die Verbesserung der Effizienz von Photokatalysatoren, da GQDs eine starke Heterojunktion für eine bessere Ladungstrennung bilden.

GQDs finden auch Anwendung in der elektrochemischen Energiespeicherung, insbesondere in Superkondensatoren und Batterien. Superkondensatoren speichern Energie über eine Doppelschicht oder eine Redoxreaktion, wobei sie schnelle Lade- und Entladezyklen ermöglichen. Die kleinen GQDs mit ihren aktiven Randstellen bieten eine bessere Oberfläche für die Speicherung von Ladungen und verbessern somit die Effizienz des Energiespeichers. Um die elektrochemischen Eigenschaften weiter zu verbessern, wurde eine alkalische Aktivierung in Kombination mit GQDs eingesetzt, um die Leistung von Superkondensatoren zu steigern. Durch die Kombination von GQDs mit Graphen, Aktivkohle und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) wird die Leitfähigkeit des Netzwerks erhöht, was zu einer besseren Leistung von Superkondensatoren führt. GQDs bieten nicht nur in Elektrodenmaterialien, sondern auch in Festelektrolyten von Superkondensatoren ein hohes Potenzial. Durch die Behandlung mit KOH wurde die ionische Leitfähigkeit und die Ionenabgabe in festen und flüssigen Zuständen verbessert, was die Anwendung von GQDs in Festkörper-Superkondensatoren weiter vorantreibt.

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil von GQDs ist ihre Fähigkeit, in optischen Anwendungen verwendet zu werden. Aufgrund ihrer hohen optischen Stabilität und ihrer einzigartigen Fluoreszenz-Eigenschaften bieten GQDs enorme Potenziale in der Lichtumwandlung und in optoelektronischen Geräten.

Welche optischen, elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften zeichnen zweidimensionale Halbleitermaterialien aus?

Zweidimensionale Halbleitermaterialien (2D-SCMs) haben sich als äußerst vielversprechend erwiesen, da sie einzigartige physikalische Eigenschaften besitzen, die sich grundlegend von ihren dreidimensionalen Gegenstücken unterscheiden. Ihre atomar dünne Struktur ermöglicht eine außergewöhnliche Kontrolle und Manipulation von Eigenschaften, was sie besonders interessant für zukünftige Technologien macht.

Die optischen Eigenschaften von 2D-SCMs sind vor allem durch die starke Wechselwirkung von Licht mit den Elektronen charakterisiert. Lineare optische Phänomene umfassen die Absorption und Emission von Photonen, die durch die stark gebundenen Exzitonen – Paare von Elektronen und Löchern – verstärkt werden. Diese Exzitonen, oft ergänzt durch Trionen und Biexcitonen, führen zu scharfen und ausgeprägten optischen Resonanzen, welche in der Photonik und optoelektronischen Geräten von großer Bedeutung sind. Darüber hinaus sind nichtlineare optische Effekte, wie harmonische Generation und Mehrphotonen-Absorption, bei 2D-Materialien besonders ausgeprägt, was neuartige Anwendungen im Bereich der Laserentwicklung und der optischen Modulation ermöglicht.

Mechanische Belastungen, insbesondere durch Dehnung (Strain), beeinflussen maßgeblich die elektronischen Bandstrukturen und damit auch die optischen Eigenschaften. Durch gezieltes Einbringen von Dehnung lassen sich elektronische Übergänge verschieben, was eine präzise Anpassung der optoelektronischen Eigenschaften ermöglicht und die Entwicklung von flexiblen und anpassungsfähigen Geräten vorantreibt.

Elektrisch zeichnen sich 2D-SCMs durch eine hohe Beweglichkeit der Ladungsträger aus, verbunden mit der Möglichkeit, die Ladungsträgerdichte durch molekulare Dotierung, elektrochemische Gating-Techniken oder Interkalation gezielt zu steuern. Die Fähigkeit, Phasenübergänge innerhalb der Schicht durch äußere Einflüsse zu induzieren, ermöglicht eine weitere Manipulation der elektronischen Eigenschaften, was für Anwendungen in Feld-Effekt-Transistoren und anderen nanoelektronischen Bauelementen essenziell ist.

Thermisch besitzen 2D-SCMs aufgrund ihrer Schichtstruktur besondere Eigenschaften. Ihre Wärmeleitfähigkeit zeigt stark anisotrope Eigenschaften und kann durch Van-der-Waals-Heterostrukturen weiter moduliert werden. Diese thermische Isolation spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von thermoelektrischen Bauelementen und elektronischen Geräten mit effizienter Wärmeabfuhr. Fortschrittliche Messmethoden und Konzepte wie der elektrochemische Thermotransistor erweitern die Möglichkeiten, Wärmeflüsse in solchen Materialien präzise zu kontrollieren.

Mechanisch sind 2D-Halbleiter trotz ihrer atomaren Dicke bemerkenswert robust. Sie weisen eine hohe Elastizität und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Deformationen auf, was sie besonders geeignet für flexible Elektronik und nanoelektromechanische Systeme macht. Die Kombination von hoher mechanischer Stabilität mit einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften eröffnet ein breites Spektrum an Anwendungen.

Für ein tiefgreifendes Verständnis ist es wichtig zu erkennen, dass die Wechselwirkungen in 2D-SCMs nicht isoliert betrachtet werden können. Optische, elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften sind eng miteinander verflochten und beeinflussen sich gegenseitig. Zum Beispiel kann mechanische Spannung nicht nur die elektronische Bandstruktur verändern, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit und optische Absorption modifizieren. Ebenso beeinflusst die Ladungsträgerdichte nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch optische Eigenschaften wie Photolumineszenz.

Neben der experimentellen Charakterisierung gewinnen theoretische Ansätze wie ab initio Berechnungen und phänomenologische Modelle zunehmend an Bedeutung, um die komplexen Eigenschaften dieser Materialien besser vorherzusagen und zu verstehen. Dies ist unverzichtbar, um maßgeschneiderte Materialien und Bauelemente für spezifische Anwendungen zu entwickeln.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Integration von 2D-SCMs in heterostrukturierte Systeme, bei denen unterschiedliche zweidimensionale Schichten kombiniert werden. Diese Van-der-Waals-Heterostrukturen ermöglichen neuartige Quantenphänomene, wie interschichtliche Exzitonen und Moiré-Exzitonen, die zusätzliche Freiheitsgrade für die Steuerung von Materialeigenschaften schaffen.

Für die Praxis bedeutet dies, dass die vielseitigen Eigenschaften von 2D-Halbleitern nicht nur in Einzelkomponenten, sondern vor allem in komplexen, mehrschichtigen Systemen optimal genutzt werden können. Die Kombination von gezielter Materialmanipulation, innovativen Herstellungsverfahren und umfassendem physikalischem Verständnis eröffnet Perspektiven für Anwendungen in flexibler Elektronik, optoelektronischen Geräten, Sensoren, energieeffizienten Transistoren und neuartigen Quantentechnologien.

Das umfassende Verständnis der vielfältigen Wechselwirkungen und der Vielseitigkeit der Eigenschaften von 2D-SCMs ist somit eine entscheidende Grundlage für die Weiterentwicklung der Nanotechnologie und die Realisierung zukünftiger elektronischer und optischer Systeme.

Wie verhalten sich die thermischen und mechanischen Eigenschaften von 2D-Halbleitermaterialien?

Die thermischen und mechanischen Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitermaterialien (2D-SCMs) stellen einen zentralen Forschungsgegenstand in der Entwicklung flexibler Elektronik und nanoskaliger Bauelemente dar. Anders als bei Graphen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, zeigen Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) aufgrund ihrer spezifischen Gitterstruktur und der reduzierten Phonon-Transportlänge deutlich geringere Werte. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien ist weitgehend unabhängig von der strukturellen Grobheit und Dimensionierung – ein Verhalten, das sich grundlegend vom Verhalten von Graphen unterscheidet und vor allem auf die geringe mittlere freie Weglänge der Phononen zurückzuführen ist.

Besonders intensiv wurden TMDs untersucht, die Übergangsmetalle wie Molybdän (Mo) und Wolfram (W) enthalten. Dabei konnte experimentell festgestellt werden, dass die Wärmeleitfähigkeit nicht primär von der Art des Übergangsmetalls abhängt, sondern stärker von strukturellen Faktoren wie Defekten und Isotopenzusammensetzung beeinflusst wird. So zeigte beispielsweise isotopenangereichertes MoS₂ eine bis zu 50 % höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur reinen Monolage. Gleichzeitig ist die Korrelation zwischen der Anzahl der Schichten und der Wärmeleitfähigkeit experimentell schwächer als theoretisch vorhergesagt – ein Hinweis auf die Dominanz nichtidealer Realstrukturen im Experiment.

Schwarzes Phosphoren etwa demonstriert richtungsabhängigen Phononentransport aufgrund seiner wabenähnlichen Struktur, während bei blauem Phosphoren die Wärmeleitung aufgrund der zickzackartigen Atomkonfiguration richtungsunabhängig ist. Andere Materialien wie Bi₂Te₃ zeigen eine eher volumenartige Wärmeleitung bereits bei wenigen Nanometern Dicke, wobei eine nichtmonotone Abhängigkeit von der Schichtanzahl festgestellt wurde. Letztlich wurde jedoch ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Dicke beobachtet – ein nicht triviales Verhalten, das auf komplexe Wechselwirkungen zwischen Phononen, Grenzflächen und Defekten hinweist.

Die thermische Stabilität bestimmter Materialien wie N-Graphdiyne wurde mittels DFT und Molekulardynamik bis zu Temperaturen von 2000 K analysiert, wobei sich diese Materialien als strukturell stabil erwiesen. Die Gleichgewichtsmolekulardynamik ergab zudem, dass die Wärmeleitfähigkeit von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffmaterialien wie C₁₈N₆, C₁₂N₂ und C₃₆N₆ rund dreimal niedriger ist als die von reinem Graphen. Diese Ergebnisse sind von Bedeutung für thermische Managementstrategien in nanoskaligen Geräten: Hohe Wärmeleitfähigkeit verhindert Überhitzung, während geringe Werte in thermoelektrischen Anwendungen gezielt eingesetzt werden können. Interessanterweise zeigten bestimmte N-Graphdiyne-Materialien auch eine Temperaturunempfindlichkeit – ein Hinweis auf marginale Beiträge durch Phonon-Phonon-Streuung.

Darüber hinaus wurde die mechanische Anisotropie und thermische Leitfähigkeit von Materialien wie BeN₄, MgN₄ und PtN₄ untersucht. Dabei zeigten sich höhere Moduln in Armchair-Richtung gegenüber der Zickzackrichtung. Bei PtN₄ nahm die Anisotropie des Elastizitätsmoduls mit steigender Temperatur ab, wohi

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