وقد ظهرت مواد ذات طابع ثنائي (D) كواحدة من أكثر فئات المواد تحولا في الفيزياء الحديثة المكثفة وهندسة المواد، وهذه البلورات ذات الصبغة الذهنية، التي يمكن أن تكون ضئيلة إلى حد ما، وهي سمة واحدة من المواد الميكانيكية ذات الصبغة الواحدة، وتظهر خصائص مادية متطابقة تماما مع نظيراتها في السوائب.

ما هي المواد 2D؟

2D(D) هي مواد صلبة متطورة تتكون من طبقة واحدة أو بضع طبقات ذرية، مع اقتصار البعد المتعلق بالخط على النطاق النانوميت أو النطاق الفرعي للشبكة على النطاق الترددي (DLT)

الأداء الخاص بالنبائط الرئيسية

ويكمن نداء المواد من 2D في أنسبتها القصوى: فالإلكترونيات والصور تتفاعل بقوة داخل الطائرة، بينما تضعف الانقلابات بين الطليعة، مما يؤدي إلى مجموعة من الممتلكات التي يصعب تحقيقها في وقت واحد في شبه الموصلات التقليدية:

  • High carrier mobility:] Graphene exhibits electron mobilities in excess of 200,000 cm2/V;s at low temperatures, while TMDs such as MoS2 can achieve mobilities above 100 cm2/V);s in monolayer form.
  • Mechanical flexibility and extendability:] Monolayer 2D materials can withstand bending radii of a few microns without fracture, enabling fully flexible electronic and photonic devices.
  • Strong light-matter interaction:] Despite beingtomally little, 2D semiconductors absorb up to 10% of incident light per monolayer, a consequence of high oscillator strength and tight exciton binding energies.
  • Tunable electronic structure:] The bandgap of TMDs and black phosphorus varies with fishness (owing to quantum confinement) and can be further modulated by strain, electric fields, or chemical doping.
  • Electrostatic control:] The ultra-thin channel enables sharp electrostatic gating, allowing transistors to operate at low voltages with high subthreshold slopes.

وتجعل هذه الممتلكات مواداً من طراز 2D تُلزم للتطبيقات التي تتجاوز قدرات مركبات السيليكون والمركبات من طراز III إلى V، ولا سيما في السيناريوهات التي تتسم فيها عملية النقاء والمرونة أو انخفاض حجم العمليات بالانتقاد.

التطبيقات الإلكترونية للمواد الـ2D

أما التطبيق الإلكتروني الأكثر إلحاحاً للمواد الـ2D فهو في مترجمات ميدانية الأثر، ونظراً لأن القناة يمكن أن تكون سميكة واحدة فقط، فإن البوابة تفقد سيطرتها الكهروستانتية على القناة بأكملها، مما يتيح التوسع العدواني في أبعاد المترجمين التحريريين مع الحفاظ على تيار منخفض خارج الدولة، وهذا أمر واعد بشكل خاص بالنسبة للعارضات فوق الكبريت (دون الخامسة) حيث تعاني السليكون من آثار شديدة قصيرة الأجل.

مترجمون متطورون ودائرة لوجيكية

وقد نجح الباحثون في صنع مترجمين مجهزين بقناة تقل عن 10 نانووب مدفعية وكربونية، وتحقيق أداء يتنافس أو يتجاوز أجهزة السيليكون التقليدية، كما أن السلاسة الذرية لسطح 2D تقلل من تكاثر الناقلات، وعدم وجود سندات دهنية تقلل من شراك الدول في واجهة القناة/العقدية، علاوة على أن المرونة الميكانيكية للمواد البلاستيكية الجاهزة إلى مدمج.

ومن التحديات الرئيسية في مجال النقل الجوي من طراز 2D تكوين الاتصالات الكهربائية ذات المقاومة المنخفضة، ويمكن أن يهيمن حاجز شوتكي على واجهة الموصلات المعدنية - الشبهية على سلوك الأجهزة، ولا سيما بالنسبة للأجهزة التي تستخدمها أجهزة النقل المتعدد الوسائط، وتشمل التطورات الأخيرة استخدام أجهزة نقل الجاين، والاتصالات بين الأطراف، والاتصالات بين الفلزات المصممة تدريجيا (مثلا، المرحلة الأولى من القيم الدنيا من النموذج) لتحقيق مقاومة الاتصال.

الإلكترونيات المرنة والمصنوعات القابلة للزراعة

والمواد الـ 2 دال هي مثالية للأجهزة المرنة والقابلة للارتداء، إذ يمكن إيداعها على البوليمرات أو الورق أو المنسوجات عن طريق التخصيب الميكانيكي، أو التحلل الكيميائي للبخار، أو الطباعة القائمة على الحل، كما أن الأشعة المرنة، والتصوير الضوئي، ومجسات الإجهاد، والمجسمات الحيوية، على سبيل المثال، تُثبت وجود أجهزة قياس ذات تأثيرات على الأشعة.

حواسيب منخفضة الطاقة وحسابات عصبية

وبالإضافة إلى المنطق الرقمي الكلاسيكي، يجري استكشاف مواد الـ 2D من أجل تركيبات قياسية منخفضة القدرة ورموز عصبية، حيث أن قنواتها الخفيفة الذرية والتحكم الكهروستاني القوي تجعلها مناسبة للمترجمين الاصطناعيين (مثلاً، FETs النفقية، وأجهزة التأقلم الاصطناعي) التي يمكن أن تعمل في أقل من 60 متراً/داكاديماً.

التطبيقات المصورة لمواد الـ2D

وفي الصور الفوتوغرافية، فإن التفاعل القوي بين أجهزة الإضاءة والخصائص البصرية التي لا يمكن تحصينها من مواد الـ 2D يتيح أجهزة تكون ذات كفاءة عالية وسريعة وفعالة، ويحمل الموصلات شبه الموصلاتية مثل موسوعة 2 و WS2 مجموعات مباشرة تغطي النطاقات الظاهرة إلى المدى القريب من الحمراء، وتزيد من حدة الآثار شبه الدقيقة التي يمكن أن تحدثها أجهزة الوصل الكهربائي - اللوغاريت - في درجة الحرارة البصرية حتى في الغرفة.

مُستحضرات للنسخ وأجهزة الاستشعار عن طريق الصور

ويمكن تصميم أجهزة التصوير الضوئي ذات النطاق الترددي (من أعلى إلى منتصف الشدة) باختيار مواد ذات نطاقات مناسبة أو باستخدام هياكل ذاتية، كما يمكن لأجهزة التصوير الضوئي ذات الترددات العالية أن تحقق مسؤوليات تتراوح بين 103 و105 ألف و2 (تحيز تحتي) مع أوقات الاستجابة على ترتيب ثواني مصغرة.

المرشدون والمترجمون الشفويون

ويمكن للمستنكفين الكهرباء تحويل الإشارات الكهربائية إلى نظام بصري، وهي عناصر حاسمة في مجال الاتصالات بالبيانات. ويمكن أن تحقق المواد ذات الصبغة العالية السرعة، لأن كثافة الناقلين ومستوى الفرن يمكن أن تُستخدم بسرعة بواسطة مجموعة من الموصلات التطبيقية.

أجهزة التفجير الخفيفة: أجهزة التفجير المضبوطة واللازر

كما أن الانبعاثات الخفيفة التي يتم إجراؤها من أجهزة التفجير الموحّدة التي تستخدم في الكهرباء تحدّي بسبب ضعف اتصالاتها الأورامية وانخفاض الكفاءة الكمية، ومع ذلك، فقد أظهر العمل الذي أُنجز مؤخراً وجود أجهزة مسببة للطفح الضوئي (الأجهزة التلقيحية) استناداً إلى محركات الأشعة تحت الحمراء وأجهزة التردد الثانية (مثلاً، مع وجود أجهزة ضغط حرارة حرارة حرارة حرارة حرارية ثابتة)(2).

الهياكل الهتيروية والأجهزة الهجينة

ومن أكثر الملامح قوة للمواد الـ2D القدرة على تجميع طبقات مختلفة على النطاق الذري لتشكيل هياكل مرنة للشاحنات، ويمكن لهذه البلورات الاصطناعية أن تجمع بين المواد والممتلكات التكميلية، مثل طبقة من أعلى الغرافيا للكهرباء الشفافة ومولدة للجهاز التليفي المتعدد الأبعاد، كما أن أجهزة الانقلاب الضوئية الفعالة التي تستخدم أجهزة التواؤم.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من الوعد الهائل الذي قطعته مواد الـ 2 دال، لا تزال هناك عقبات عديدة على طريق النشر التجاري، وأهمها هو التوليف الواسع النطاق الذي ينطوي على نوعية موحدة وسمك متحكم فيه، وفي حين أن النزعة الميكانيكية لا تزال هي الطريقة التي يختار بها إجراء دراسات أساسية، فإن هذا التحلل الكيميائيي (CVD) على أساس المقياس الضاري (مثل كواسطة المقياسية).

الاتصالات وطب الديليك

ولا تزال نوعية الاتصالات المعدنية ومقاييس البوابات تشكل عقبة رئيسية في الأداء، ولكن ارتفاع الحاجز الشوتكي في واجهات المعادن - 2 دال يمكن تخفيضه باستخدام معادن منخفضة الأداء، أو الاتصالات غير المباشرة، أو أجهزة الأشعة المتطورة، أو أجهزة الأشعة المتطورة للمعدات المعدنية، غير أن القدرة على التكاثر في المناطق الكبيرة لا تزال تفتقر إلى القدرة على ذلك.

التكامل مع تكنولوجيا السيليكون

لإدراك الأثر الكامل لمواد الـ2D يجب أن تُدمج في تدفقات التصنيع شبه الموصلات الحالية هذا يتطلب عملية متوافقة مع النظام المركزي لنمو المنطقة الكبيرة، نقل، نمط أفلام الـ2D

التوقعات التجارية

(ب) تستخدم شركة " غرافين " في أكاسيد مُسلّمة، وفي تخزين الطاقة، وفي مواد مركبة.() ويجري استكشاف نظامي " MoS2 " و " WS2 " في الجيل القادم من عروض الهواتف الذكية والمجسّسات المرنة.() ومن المتوقع أن تعتمد سوق الصور الفوتوغرافية مصوّرة وموجّبة في مراكز البيانات ونظم " ليدار " ، في العقد القادم.

خاتمة

وقد فتحت مواد الـ 2 دال حيزا جديدا للتصميمات للأجهزة الإلكترونية والصورية التي تغذي السميكة في النطاق الذري، والتنقل الاستثنائي للناقلات، والتفاعل القوي في مجال الأشعة الضوئية، ومن الباحثين في مجال البرمجيات، والإلكترونيات المرنة إلى أجهزة التصوير الضوئي والاستشعار الكمي، فإن هذه المواد هي أدوات تمكينية لا يمكن استخدامها مع الموصلات شبه التقليدية، بينما لا تزال هناك تحديات كبيرة في التوليف، وهندسة، وسرعات المتطورة، وسرعات المشهودة، وسرعات، وسرعات المتطورة،