Menguasai Nanomaterial Semikonduktor 2D: Sintesis Presisi dan Aplikasi Terobosan

Abstract

Semikonduktor dua dimensi (2D) selain grafen mewakili nanomaterial stabil terhalus yang diketahui. Pertumbuhan cepat keluarga dan aplikasinya selama dekade terakhir abad kedua puluh satu telah membawa peluang yang belum pernah ada sebelumnya bagi teknologi nano- dan optoelektronik canggih. Dalam artikel ini, kami meninjau perkembangan terbaru dalam temuan mengenai nanomaterial 2D yang dikembangkan. Teknik sintesis canggih untuk nanomaterial 2D ini dan heterostruktur mereka diringkas, dan aplikasi inovatif mereka dibahas. Teknik pembuatan mencakup perkembangan state-of-the-art dari metode deposisi berbasis uap dan pendekatan exfoliasi van der Waals (vdW) baru untuk pembuatan nanomaterial 2D amorf dan kristal dengan fokus khusus pada deposisi uap kimia (CVD), deposisi lapisan atom (ALD) semikonduktor 2D dan heterostruktur mereka, serta exfoliasi vdW dari film oksida permukaan 2D logam cair.

Pendahuluan

Setelah hadirnya Hadiah Nobel untuk grafen (2010) dan kemajuan berikutnya dalam pengembangan semikonduktor 2D selain grafen, pertumbuhan yang signifikan dalam bidang ilmu material independen berdasarkan nanomaterial 2D dan heterostruktur mereka telah disaksikan selama dekade kedua abad kedua puluh satu [1,2,3,4]. Fenomena fisikokimia yang sangat menarik yang disebabkan oleh transfer elektron dan modulasi bandgap telah diamati dalam struktur nanomaterial 2D yang dilaporkan [5, 6]. Karena grafen tidak memiliki bandgap, ia tidak dapat menampilkan karakteristik semikonduktor, dan perhatian serta upaya besar diberikan untuk pengembangan nanomaterial 2D lain yang serupa dengan grafen, termasuk dalkogenida logam transisi (TMDCs), nitrida boron heksagonal (h-BN), fosfena hitam, dan oksida logam transisi, dll. [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Keluarga nanomaterial 2D ini selain grafen menunjukkan spektrum luas karakteristik elektronik yang mencakup berbagai properti dari logam hingga semi-logam dan kemudian dari semikonduktor hingga isolator [17,18,19,20]. Selain rentang luas properti elektronik, karakteristik lain dari material 2D termasuk luas permukaan yang tinggi, ketiadaan ikatan di permukaan, sifat keadaan permukaan, karakteristik kopling spin-orbit yang berbeda, dan efek spin Hall kuantum mereka menciptakan properti yang cukup menarik dalam material 2D terstruktur nano individual [21,22,23,24,25]. Akibatnya, minat komunitas ilmiah terhadap jenis nanomaterial 2D ini meningkat secara eksponensial terutama selama dekade terakhir karena properti semikonduktor yang belum pernah ada sebelumnya. Sebaliknya, minat ini cukup tercermin dalam kenaikan eksponensial proporsional dari artikel yang dipublikasikan yang mengkhususkan diri pada semikonduktor 2D (basis data Web of Knowledge™) yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Menguasai Nanomaterial Semikonduktor 2D: Sintesis Presisi dan Aplikasi Terobosan

Pengukuran awal properti nanomaterial semikonduktor 2D mengungkap karakteristik elektronik unik yang tidak dapat dibandingkan dengan properti bagian mikrostruktur dan bulk mereka. Fitur yang berbeda ini terkait dengan efek pembatasan kuantum yang berasal dari rendah dimensi skala nano material 2D [26]. Oleh karena itu, spesifikasi unik material 2D ini memberikan platform yang luar biasa untuk mempelajari fisika dan kimia dasar mereka. Kelas pertama nanomaterial 2D yang intensif diteliti adalah dalkogenida logam transisi berlapis (XY₂, di mana X = Mo, Ti, W dan Y = S, Se dan Te) [27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39]. Hasil yang diperoleh pada tahap ini telah mengonfirmasi bahwa semikonduktor dalkogenida memiliki perbedaan yang signifikan dalam konduktivitas 2D dan bulk (σ₁/σ₂ ~ 10²–10³) [40]. Selain itu, beberapa material 2D monolaer, seperti disulfida molibdena (MoS₂, adalah semikonduktor bandgap langsung [41]. Karakteristik elektronik yang diperoleh dari TMDC 2D memiliki implikasi vital untuk pengembangan lebih lanjut generasi berikutnya dari perangkat nano- dan optoelektronik modern. Temuan ini dan anisotropi lainnya timbul dari keberadaan ikatan X–Y antar lapis yang kuat, yang berkontras dengan interaksi vdW lemah antara lapis [42]. Misalnya, TiS₂ kristal dalam struktur berlapis heksagonal, di mana satu lembar Ti atom yang dipadatkan heksagonal tersandwich antara dua lembar sulfur heksagonal untuk setiap monolaer [43]. Konfigurasi berlapis spesifik atom ini memungkinkan delaminasi vdW dari struktur nano 2D berlapis. Akibatnya, sebagian besar laporan awal difokuskan pada properti material 2D yang disintesis dengan teknik exfoliasi mekanis dan vdW. Karena sifat ultra-tipis film 2D, mereka dapat transparan, ringan, dan fleksibel dan juga dapat memiliki properti yang sangat menarik. Fitur unik ini membuka jalan untuk pengembangan materi elektroda berkinerja tinggi dengan aplikasi penyimpanan dan konversi energi, seperti baterai, superkapasitor, dan sel bahan bakar [44]. Misalnya, Gambar 2 merangkum properti utama semikonduktor 2D dan heterostruktur, yang digunakan dalam aplikasi tipikal mereka.

Layak diperhatikan, bidang semikonduktor terstruktur nano 2D berdiri secara independen sebagai pengetahuan penting untuk pengembangan instrumen nano- dan optoelektronik berkinerja tinggi modern karena kemajuan teknologi terbaru dalam nanofabrikasi [45]. Struktur berlapis skala atom dari nanomaterial 2D adalah asal-usul properti yang berbeda mereka, di mana penyesuaian yang tepat terhadap properti material diberikan oleh kontrol dimensi tingkat atom. Oleh karena itu, sintesis konformal film 2D ultra-tipis dengan ketebalan seragam sangat diinginkan sebagai langkah dasar menuju pengembangan metode pembuatan instrumen elektronik canggih berdasarkan nanomaterial 2D. Secara khusus, untuk produksi film ultra-tipis skala wafer dengan ketebalan yang tepat dan seragam atas substrat yang diinginkan, teknik sintesis yang berhasil untuk pembuatan instrumen berdasarkan semikonduktor 2D harus dikembangkan [46]. Selain itu, selama tahap sintesis dan pembuatan, nanomaterial 2D dapat dihiasi dan mungkin berada dalam kontak langsung dengan berbagai komponen unit elektronik termasuk konduktor listrik, isolator, dan substrat dengan berbagai fitur geometris. Harus juga dipertimbangkan bahwa hetero-antarmuka antara nanomaterial 2D dan komponen lain dapat secara dasar mempengaruhi properti mereka. Ini terutama terkait dengan mekanisme transfer muatan antara lapis 2D [47]. Fitur unik film 2D terstruktur hetero memungkinkan mereka untuk digunakan dalam banyak aplikasi termasuk elektronika terstruktur hetero, optoelektronika, biosensing, sensor lingkungan, katalisis, elektronika fleksibel dan dapat dikenakan, memristor, dan perangkat sinaptik [36, 44, 48,49,50,51,52,53,54,55]. Oleh karena itu, teknik sintesis dan pembuatan harus sebagai tanggapan terhadap kompleksitas pembuatan instrumen fungsional berdasarkan nanomaterial 2D. Selain itu, properti elektronik material 2D sangat dipengaruhi oleh karakteristik material, termasuk struktur fisik dan kimia, dimensi, jumlah lapis, morfologi, orientasi, fase struktural, cacat doping, amorfisitas atau kristalinitas, dan batas kristal dalam struktur mereka [56]. Jumlah lapis dalam struktur nano 2D memiliki dampak fundamental tambahan pada struktur elektronik dan kemudian properti material 2D secara total menentukan kinerja akhir perangkat elektronik berdasarkan film 2D [57].

Di sisi lain, kristalinitas atau amorfisitas material 2D juga dapat mengubah properti elektronik mereka. Ditentukan oleh metode sintesis dan kondisinya, nanomaterial 2D dapat bebas cacat (kristal tunggal) atau mengandung beberapa tingkat Impurity atau beberapa batas kristal. Oleh karena itu, mobilitas muatan melalui fenomena pencitraan antarmuka dipengaruhi melalui jumlah batas kristal [58]. Sementara struktur kristal tunggal memiliki mobilitas muatan tertinggi dan pencitraan antarmuka yang rendah, struktur 2D amorf mewakili karakteristik isolator tertinggi [58]. Sebagian besar metode sintesis awal nanomaterial 2D didasarkan pada exfoliasi mekanis struktur nano 2D. Karena gaya vdW lemah antara struktur berlapis, exfoliasi mekanis dan kimiawi dapat digunakan secara efektif untuk mengekstrak struktur nano 2D berlapis [59]. Oleh karena itu, exfoliasi mekanis menyebabkan pemisahan struktur kristal 2D berkualitas tinggi dari materi inang mereka. Namun, exfoliasi mekanis sudah gagal untuk mensintesis nanofilm 2D skala besar. Secara analog, exfoliasi fasa cair dari material 2D adalah pendekatan yang cocok lain untuk produksi material 2D berbiaya rendah dan skala besar. Namun, kontrol kualitas dan keseragaman ukuran adalah tantangan utama untuk sintesis film 2D melalui teknik exfoliasi ini [58. Sebaliknya, pertumbuhan langsung film 2D melalui teknik deposisi berbasis uap ditemukan sebagai salah satu metode sintesis paling andal dan dapat diterapkan untuk pembuatan nanofilm 2D skala wafer berkualitas tinggi dengan kontrol dimensi yang tepat. Misalnya, CVD dan ALD adalah dua teknik deposisi berbasis uap utama yang menawarkan keuntungan teknis yang berbeda untuk pembuatan luas area semikonduktor 2D terstruktur nano dan heterostruktur mereka [60, 61]. Kontrol yang tepat terhadap ketebalan, komposisi kimia, keadaan kristalinitas, dan bahkan persentase elemen doping dan cacat struktural dapat dicapai secara memadai dengan manipulasi hati-hati parameter pertumbuhan dalam proses CVD dan ALD, masing-masing. Selain itu, selain metode konvensional sintesis film 2D, sumber material 2D yang baru muncul baru-baru ini. Misalnya, oksida permukaan logam cair adalah sumber unik dari nanofilm 2D alami berkualitas tinggi dengan properti yang belum pernah ada sebelumnya yang timbul dari karakteristik fisik dan kimia logam aloi [61].

Akibatnya, tinjauan ini akan membahas temuan terbaru mengenai metode sintesis inovatif nanomaterial 2D dengan fokus pada teknik ALD dan CVD serta pada exfoliasi vdW dari oksida permukaan 2D logam cair. Mekanisme pertumbuhan material 2D dalam teknik deposisi fasa uap dijelaskan dan tantangan utama serta peluang dalam pembuatan dan deposisi materi semikonduktor berbasis 2D juga dibahas. Selain itu, teknik exfoliasi vdW yang baru dikembangkan dari film oksida permukaan alami 2D logam diperkenalkan. Terakhir, aplikasi fungsional state-of-the-art yang dikembangkan dari perangkat 2D ultra-tipis termasuk karakteristik elektronik dan optoelektronik mereka disajikan dan dikarakterisasi secara rinci.

Nanomaterial 2D yang Disintesis dengan Teknik Pembuatan Berbasis Uap

Fokus utama penelitian yang bekerja di bidang materi semikonduktor 2D adalah sintesis dan karakterisasi berikutnya dari struktur nano 2D. Struktur nano 2D ini termasuk dalam rentang luas materi anorganik, organik dan polimerik dengan ketebalan atomis dan tipis. Strategi sintesis biasanya mengikuti dua pendekatan utama, yaitu strategi top-down dan bottom-up. Oleh karena itu, pengembangan semikonduktor 2D dengan arsitektur yang dikontrol dan properti fisik dan kimia memainkan peran kunci dalam berbagai aplikasi dan akan membuka kemungkinan baru ke level yang jauh lebih tinggi dari teknologi semikonduktor komersial saat ini. Meskipun demikian, nonostante upaya yang signifikan dan penemuan ilmiah yang unik dalam semikonduktor 2D selama beberapa tahun terakhir, sebagian besarnya diperoleh di laboratorium menggunakan teknik exfoliasi yang cukup sederhana, yang tidak dapat digunakan dalam aplikasi industri. Salah satu alternatif adalah metode top–down yang biasanya melibatkan delaminasi dan exfoliasi vdW dari materi berlapis dan kerangka organik kovalen berlapis (COFs). Namun, hambatan dari metode ini adalah hasil produk yang sangat rendah dan restacking lembar selama pengkeruhan. Alternatif lain didasarkan pada rakitan anisotropi bottom-up dari prekursor anorganik, organik atau polimerik dalam cara 2D. Meskipun beberapa keberhasilan dalam pembuatan nanomaterial 2D, penyelidikan mendalam mengenai lembar nano 2D yang dirancang secara rasional dengan berbagai fungsionalitas dalam penyimpanan energi elektrokimia dan konversi masih primitif. Akibatnya, eksplorasi penuh terhadap keunikan nanomaterial 2D dengan ketebalan yang disesuaikan, luas permukaan tinggi, konduktivitas baik dan fleksibilitas mekanis untuk mempercepat difusi ion dan transportasi elektron dalam berbagai aplikasi akan sangat diperlukan. Bagian berikut memberikan gambaran dasar tentang dua teknik deposisi utama material 2D, yaitu CVD dan ALD dengan fokus pada prestasi selama beberapa tahun terakhir.

CVD dari Struktur Nano 2D

Pertumbuhan langsung berbasis fasa uap dari film ultra-tipis adalah salah satu metode sintesis yang paling andal dan dapat diterapkan untuk deposisi film berkualitas tinggi dengan spesifikasi dimensi yang sangat presisi [62]. Di antara berbagai metode, CVD mewakili teknik pertama yang dikenal berhasil untuk pertumbuhan film 2D ultra-tipis pada berbagai substrat yang berbeda. CVD menawarkan pendekatan yang scalable dan dapat dikontrol untuk pertumbuhan film 2D luas area berkualitas tinggi [63]. Ada beberapa spesifikasi yang membuat metode CVD menjadi teknik yang andal untuk deposisi yang dapat dikontrol nanomaterial 2D. Metode ini didasarkan pada reaksi bertahap materi gas dalam kondisi uap pada permukaan substrat. Reaksi diikuti oleh pertumbuhan film tipis padat dengan ketebalan beberapa lapis atom. Oleh karena itu, properti nanomaterial 2D sangat bergantung pada properti antarmuka, fitur geometris substrat dan fase struktural film padat. Properti ini dapat dengan cermat dimodulasi dengan penyesuaian yang tepat parameter pertumbuhan CVD. Untuk memahami mekanisme umum pertumbuhan CVD, harus disadari bagaimana parameter CVD termasuk suhu, tekanan, substrat dan prekursor dapat mempengaruhi transfer massa, transfer panas dan reaksi antarmuka pada permukaan. Dalam hal ini, resep yang dirancang baik mengontrol parameter deposisi utama selama proses harus dikembangkan [64]. Selain itu, memungkinkan untuk mengontrol tingkat doping dalam nanofilm 2D, yang merupakan kemampuan vital dalam desain struktur nano semikonduktor dengan properti spesifik [64]. Misalnya, mungkin untuk mengontrol tingkat kosong chalcogen dan logam selama proses CVD. Parameter kunci proses CVD berikut sangat bergantung pada fase struktural, morfologi, dan reaksi antarmuka.

Suhu

Suhu adalah salah satu parameter fundamental utama yang secara langsung mempengaruhi beberapa faktor yang saling terhubung selama pertumbuhan film CVD termasuk laju reaksi kimia prekursor, laju alir gas pembawa, dan akhirnya, mempengaruhi laju pertumbuhan film CVD [64]. Secara umum, suhu CVD tinggi memastikan deposisi film CVD 2D berkualitas tinggi. Namun, suhu yang terlalu tinggi juga memiliki kelemahan. Secara khusus, ia dapat menciptakan gradien konsentrasi yang tinggi dan oleh karena itu menyebabkan aliran massa yang tidak stabil dan transfer dalam sistem [64]. Ia juga secara langsung mempengaruhi tekanan saturan komponen dalam ruangan dan, akibatnya, mengubah laju pertumbuhan film tipis. Efek gabungan suhu dan tekanan dapat diamati selama deposisi CVD film TMDC 2D. Dalam jenis struktur nano 2D ini, konsentrasi elemen sulfur dan selenium dalam sistem sangat penting untuk menentukan komposisi akhir film 2D. Misalnya, tekanan gas tinggi dan konsentrasi memungkinkan sintesis yang dapat dikontrol TMDC 2D (MoS₂, WS₂, dll.). Secara umum, suhu CVD tinggi yang diikuti oleh tekanan yang cukup memfasilitasi mekanisme deposisi yang diaktifkan termodinamis, sedangkan suhu CVD rendah biasanya mengarah pada proses pertumbuhan kinetik [64, 65]. Mekanisme pertumbuhan yang dikontrol pada akhirnya menghasilkan pertumbuhan TMDC 2D yang dapat dikontrol dengan kemampuan untuk penyesuaian properti dan sejumlah lapisan fundamental.

Tekanan

CVD juga dikenal sebagai teknik deposisi tekanan variabel, di mana tekanan proses dapat diubah dari tingkat atmosfer hingga beberapa milimeter. Kondisi paling menguntungkan untuk proses CVD yang dapat dikontrol dicapai pada konsentrasi rendah dan kecepatan tinggi dari umpan massa. Dalam hal ini, tekanan rendah selalu lebih andal untuk pertumbuhan seragam struktur nano 2D ultra-tipis pada deposisi skala wafer TMDC 2D [66, 67]. Tekanan parsial komponen juga dapat secara langsung mempengaruhi pertumbuhan lapis demi lapis yang seragam film TMDC 2D. Oleh karena itu, pertumbuhan film MoS₂ 2D dengan teknik CVD adalah salah satu contoh paling terkenal, di mana pembuatan lapisan fundamental kedua di atas film yang awalnya tumbuh hanya dapat diinisiasi pada batas kristal lapisan pertama yang ditetapkan pada tekanan rendah.

Substrat

Sifat substrat memiliki dampak fundamental pada pertumbuhan film 2D dan heterostruktur. Misalnya, substrat logam, Si, SiO₂, mikah, dan polimida di antaranya substrat yang paling umum digunakan untuk deposisi CVD film 2D [68, 69]. Peran substrat pada mekanisme pertumbuhan film 2D menentukan kristalinitas, orientasi kristal, mikrostruktur dan properti mereka. Secara khusus, film oksida logam 2D yang ditetapkan pada substrat emas, nikel, tembaga, dan perak menunjukkan properti katalitik aktif [70,71,72]. Secara umum, dalam kasus substrat logam, pertumbuhan preferensial film 2D dengan arah kristal tertentu secara teknis bergantung pada energi ikatan yang bergantung pada wajah antara substrat logam dan film TDMC yang ditetapkan [73]. Ia juga secara langsung mempengaruhi morfologi struktur nano yang tumbuh. Dalam kasus oksida logam 2D yang ditetapkan pada film Au, energi ikatan antara Au dan oksigen (O), dan Au dan komponen logam (M) dari film oksida 2D menentukan struktur ikatan kimia pada antarmuka hetero antara Au dan film oksida logam [73]. Diperkirakan ikatan preferensial antara Au dan atom logam dari film oksida, sebagian besar mengarah pada pembentukan antarmuka Au-M–O [74,75,76]. Interaksi kuat antara Au atau substrat logam lainnya dan film oksida tipis yang ditetapkan memungkinkan pertumbuhan adaptif oksida 2D dari struktur kristal substrat logam [77,78,79]. Ini berarti pola pertumbuhan lapisan monolaer oksida logam pertama mengikuti pola kristal substrat logam. Misalnya, sementara Au memiliki struktur kristal kubik face-centered (fcc), arah kristalnya pada permukaan substrat Au menentukan orientasi kristal film oksida logam 2D. Layak diperhatikan, Au (111) yang tidak terkonstruksi terdiri dari jaringan heksagonal, sedangkan bidang Au (111) yang direkonstruksi menunjukkan struktur yang kompleks [80, 81]. Terjadi bahwa berbagai film oksida yang ditetapkan pada substrat Au mengangkat rekonstruksi herringbone, yang disebabkan oleh interaksi kuat antara bidang Au (111) dan film oksida ultra-tipis. Beberapa oksida logam 2D yang berbeda ditetapkan pada substrat Au termasuk TiO_x, VO_x, CoO, MoO₃, MgO, ZnO, dan WO_x [82]. Salah satu contoh katalis yang terkenal adalah 2D TiO₂ yang ditumbuhi pada permukaan substrat Au (111) [83]. Disarankan bahwa atom Ti menempati situs lubang tiga lipat jaringan Au dan atom O terletak pada situs jembatan atom Ti, kemudian struktur madu dengan stoikiometri Ti₂O₃ terbentuk, seperti ditunjukkan pada Gambar 3a [83]. Selain itu, ada mekanisme pertumbuhan lain dari film oksida 2D, di mana jaringan M–O tertumpuk di atas permukaan Au (111) dan membentuk pola Moiré yang mengarah pada pertumbuhan struktur pinwheel dengan berbagai penampilan dengan stoikiometri TiO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b dan c, masing-masing [83]. Pertumbuhan pola Moiré heksagonal biasanya diamati selama CVD dari film tipis TiO, FeO [84], CoO [85], dan ZnO [86] ultra-tipis pada substrat Au (111).

MoS₂ adalah perwakilan tipikal dari keluarga TMDC. Sejauh ini ia dianggap sebagai salah satu nanomaterial yang paling menguntungkan di antara semua TMDC karena ia memiliki bandgap yang relatif kecil sebesar 1,29 eV dan 1,90 eV untuk materi bulk dan monolaer, masing-masing [40, 87, 88]. Sebelumnya, film 2D MoS₂ kristal tunggal hanya dapat diekskfoliasi secara mekanis dari bulk inangnya. Sebagai semikonduktor gap langsung, monolaer MoS₂ menawarkan kemungkinan menarik untuk realisasi transistor efek medan inter-band (FET), yang ditandai dengan turn-on yang lebih tajam dari batas teoretis 60 mV dec⁻¹ untuk transistor klasik, dan akibatnya, disipasi daya yang lebih kecil. Fitur ini sulit dicapai dalam kasus silikon, semikonduktor gap tidak langsung, karena transisi inter-band di sana memerlukan fonon dan pusat rekombinasi [87]. Salah satu aplikasi menarik terbaru dari kristal nano 2D MoS₂ adalah transistor [87] dan fototransistor [40] berdasarkan lembar nano MoS₂ tunggal. Selain itu, deposisi luas area yang berhasil dari film 2D dicapai melalui teknik CVD yang dimodifikasi termasuk deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD), deposisi uap kimia tekanan rendah (LPCVD), deposisi uap kimia plasma terintegrasi induktif (ICP-CVD), atau metode inovatif lain yang dikembangkan dan digabungkan dengan teknik lain. CVD juga dikenal karena kemampuannya untuk deposisi skala wafer film TMDC 2D. Gambar 4 menunjukkan salah satu contoh menarik yaitu deposisi luas area film MoS₂ dan WS₂ 2D ultra-tipis atas wafer 4 inci [88]. Dalam proses CVD ini, Mo(CO)₆ dan W(CO)₆ dan (C₂H₅)₂S digunakan sebagai prekursor dalam teknik MOCVD, sementara H₂/Ar digunakan sebagai gas pembawa (Gambar 4a, b) dalam proses MOCVD [88]. Dinyatakan bahwa 8100 unit FET berkinerja tinggi berdasarkan film 2D MoS₂ telah dibuat menggunakan teknik litografi optik dengan substrat back gate yang sama (Gambar 4c). Dalam konfigurasi kedua unit, film dielektrik SiO₂ eksternal ditetapkan pada film 2D MoS₂ untuk membuat instrumen FET (Gambar 4d). Pengukuran listrik transistor mengonfirmasi kinerja FET yang konsisten, yang dipilih dari bagian wafer yang berbeda. Akibatnya, kondisi pertumbuhan yang seragam dan konformal selama proses CVD film MoS₂ dan WS₂ 2D dikonfirmasi (Gambar 4f).

CVD juga telah membuktikan diri sebagai teknik serbaguna untuk pembuatan berbagai heterostruktur 2D [89]. Misalnya, CVD digunakan untuk deposisi yang berhasil dari konfigurasi lateral dan vertikal. Dalam gaya lateral, nanofilm 2D ditempelkan bersama pada tingkat atom, sementara dalam struktur vertikal, gaya interaksi antara lapisan memiliki sifat vdW. Oleh karena itu, dalam heterostruktur 2D lateral, kecocokan jaringan yang ketat sangat diperlukan untuk pengembangan antarmuka hetero 2D, seperti yang dilaporkan untuk heterostruktur MoS₂/WS₂ [89]. Pertetapan satu langkah sederhana dari heterostruktur 2D lateral MoS₂/WS₂ didirikan ketika prekursor sulfur, oksida molibdena tri dan tungsten digunakan selama proses CVD (Gambar 5a, b) [89]. Film 2D yang dikembangkan memiliki antarmuka hetero atomis yang tajam di mana bidang atom berbagi orientasi kristal yang sama dengan orientasi armchair dan zigzag (Gambar 5c). Morfologi akhir film adalah bentuk inti-keliling segitiga dengan MoS₂ di dalam dan WS₂ di luar (Gambar 5d). Studi karakterisasi Raman mengonfirmasi pembuatan film 2D vertikal dan lateral (Gambar 5f). Pengembangan p-n heterojunti antara film WS₂ dan MoS₂ 2D telah memperkuat efek fotovoltaik dari film 2D terstruktur hetero. Akibatnya, fenomena fotoluminescensi yang kuat terdeteksi (Gambar 5e, g) [89]. Antarmuka yang cukup tajam dengan orientasi kristal yang sama dan struktur jaringan serupa dengan film 2D WS₂ dan MoS₂ dikarakterisasi. Selain itu, dalam laporan lain CVD digunakan untuk mengembangkan antarmuka hetero 1H MoS₂/1T′ MoTe₂ lateral, di mana kedua komponen memiliki ketidakcocokan jaringan yang relatif besar. Ada beberapa kasus lain yang menunjukkan pengembangan antarmuka hetero antara film TMDC 2D dengan ketidakcocokan jaringan besar termasuk 2D WSe₂/MoSe₂ [91] dan MoS₂/WS₂ [92] yang mengonfirmasi kemampuan metode CVD untuk deposisi heterostruktur 2D lateral semikonduktor/semikonduktor. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa teknik CVD modern telah membuktikan kemampuan serbaguna untuk deposisi yang berhasil material 2D pada substrat fleksibel organik dan polimerik, isolator dan substrat grafen. Tabel 1 merangkum prestasi terbaru TMDC 2D dan heterostruktur mereka yang dibuat dengan teknik CVD pada skala wafer [93].

Secara umum, stabilitas nanomaterial dan heterostruktur 2D yang dibuat dengan CVD cukup tinggi meskipun informasi tentang stabilitas jangka panjang dari struktur nano ini cukup terbatas pada sebagian besar karya yang dipublikasikan. Kinerja dan stabilitas jangka panjang instrumen elektronik dan optoelektronik berbasis TMDC yang ditumbuhi CVD sangat dipengaruhi oleh antarmuka, cacat dan batas kristal dalam nanomaterial mengingat mereka berfungsi sebagai pusat pencitraan pembawa muatan. Ini berkurangnya mobilitas pembawa muatan perangkat. Oleh karena itu, persiapan materi senyawa 2D dengan permukaan bersih, berkualitas tinggi dan ukuran domain skala wafer harus menjadi tujuan yang diinginkan untuk nanoelektronika dan optoelektronika masa depan. Harus juga ditekankan bahwa sejumlah besar materi senyawa 2D lainnya belum dipelajari dengan baik atau belum berhasil ditumbuhi, dan akibatnya, lebih banyak penemuan menarik menunggu untuk ditemukan.

ALD dari Struktur Nano 2D

ALD sebagai modifikasi dari CVD dapat mengimplementasikan berbagai strategi menuju pembuatan semikonduktor 2D yang dikontrol ketebalan dan heterostruktur bersandwich. Meskipun ALD awalnya dikembangkan sekitar 45 tahun yang lalu, baru pada awal abad kedua puluh satu ia semakin populer karena keuntungan besar dan pengembangan berbagai prekursor [94]. Selama dekade terakhir, ia telah digunakan untuk pembuatan berbagai jenis materi, termasuk oksida, sulfida, selenida, tellurida, nitrida dan logam [95]. Persyaratan kunci adalah prekursor molekuler yang sesuai harus melalui reaksi yang terbatas diri, karena perbedaan utama antara ALD dan metode deposisi uap lainnya adalah fakta bahwa monolaer permukaan yang memuaskan diri terbentuk setelah setiap paparan prekursor. Deskripsi lengkap perkembangan terbaru dalam kimia ALD dapat ditemukan dalam tinjauan terbaru [94,95,96]. Jadi, sejauh ini ALD telah diimplementasikan dalam berbagai bidang termasuk mikroelektronika [97], katalisis [98], fotovoltaik [99] dan sensor [100]. Sayangnya, implementasi ALD menuju sintesis semikonduktor 2D dan struktur nano bersandwich 2D cukup terbatas.

Sebagai teknik deposisi, ALD terdiri dari serangkaian reaksi yang terbatas diri dan permukaan yang memuaskan diri untuk membentuk film konformal tipis dengan laju yang dapat dikontrol. Meskipun semua keuntungan ALD yang jelas, harus diakui bahwa teknologi muncul ini belum sepenuhnya digunakan untuk pembuatan berbagai struktur nano 2D. Secara terlihat, kurangnya resep dan prekursor yang andal, jendela suhu ALD tertentu untuk deposisi adalah beberapa alasan yang valid untuk itu. Di sisi lain, baru-baru ini dilaporkan bahwa keuntungan ALD jauh lebih unggul dari kemampuan yang ada dari teknik deposisi lain [101]. Secara khusus, ALD adalah satu-satunya teknologi yang memungkinkan pembuatan nanofilm 2D bebas cacat dan konformal dan heterostruktur mereka pada skala wafer dengan kontrol yang tepat, skala Ångstrom terhadap ketebalan mereka selama deposisi [102]. Dalam hal ini, antarmuka nano skala state-of-the-art ALD dan rekayasa molekuler nanomaterial 2D dapat membuka kemungkinan yang sepenuhnya baru dengan menyediakan saluran ultra-tipis untuk doping kunci, meminimalkan densitas Impurity antarmuka dan mengoptimalkan kemampuan instrumen. Selain itu, teknik pembuatan ALD memungkinkan mengubah desain struktur nano 2D menuju heterojunti dan heterostruktur [103,104,105], dan hibrid SE berdasarkan anorganik–anorganik [106], organik–organik dan anorganik–organik nanomaterial [107]. Gambar 6 menggambarkan minat yang tumbuh terhadap ALD serta perbandingan laju deposisi dan properti untuk struktur nano 2D yang dikembangkan oleh berbagai teknik deposisi [94].

ALD dari Film Dalkogenida Logam 2D

TMDC berlapis terdiri dari struktur bersandwich di mana lapisan logam terikat kovalen dengan dua atom chalcogen yang berseberangan, sehingga mekanisme deposisi lapis demi lapis dalam teknik ALD menguntungkan untuk pembuatan struktur nano TMDC 2D berlapis. Di antara berbagai film TMDC 2D termasuk dalkogenida biner, ternari dan doping, kurang dari 20 tipe yang dapat ditetapkan melalui metode ALD. Film nanol MoS₂ pertama dibuat dengan ALD pada tahun 2015. Awalnya, jumlah lapisan MoS₂ dikontrol dengan penyesuaian parameter teknik ALD [106, 108,109,110]. Kemudian, sintesis ALD monolaer TMDC dilaporkan [111,112,113,114]. Sintesis lapis yang terbatas diri (SLS) dari film monolaer MoS₂ juga dipromosi berdasarkan reaksi setengah ALD tipikal [115, 116]. Di sini, beberapa kasus praktis ALD dari film 2D stabil dalkogenida logam diringkas dalam Tabel 2 [94].

Penelitian pertama tentang deposisi MoS₂ 2D didasarkan pada sulfurisasi dari film berlapis beberapa lapis MoO_x yang ditetapkan ALD. Pembentukan susunan atom S–Mo-S sepanjang sumbu z tercapai setelah interaksi 10 menit film MoO_x dengan gas S pada 600 °C [117]. Morfologi, seragamansi, kristalinitas, nukleasi dan kualitas film yang ditetapkan ALD memiliki dampak langsung pada properti dan karakteristik akhir film MoS₂ [117,118,119,120,121]. Dalam contoh ini, parameter proses pengeringan multitahap harus dikontrol dengan tepat untuk memfasilitasi pembentukan film MoS₂ dengan pengurangan berurutan Mo dan kemudian pemasukkan atom S. Selain itu, reaksi multitahap memungkinkan kontrol cakupan dan transformasi fase dari MoS₂ kristal ke fase 2H pada suhu treatment pasca yang lebih tinggi. Pertetapan CVD MoS₂ skala wafer pertama pada substrat safir 2 inci dilaporkan pada tahun 2014, ketika MoCl₅ dan H₂S digunakan sebagai prekursor dalam sistem ALD pada 300 °C [121]. Ditemukan bahwa 10 siklus ALD berurutan diperlukan untuk mendirikan pertumbuhan seragam film MoS₂ dan mencegah pertumbuhan pulau. Pengeringan pasca ALD film MoS₂ berikutnya pada 800 °C meningkatkan kristalinitas MoS₂ dengan kehilangan seragamansi ketebalan MoS₂ pada substrat wafer. Jadi, lebih banyak siklus ALD dilakukan (20 siklus) untuk mengkomensasi kurangnya seragamansi karena proses pengeringan pasca suhu tinggi. Mempertimbangkan jendela ALD, ditemukan bahwa proses ALD dalam rentang 350 hingga 450 °C memungkinkan kualitas lapisan sulfida yang lebih tinggi dengan laju pertumbuhan 0,87 Å/siklus [122]. Juga ditunjukkan bahwa pengeringan berikutnya dari film MoS₂ yang baru ditetapkan dalam H₂S atau gas sulfur dapat meningkatkan stoikiometri film MoS_x 2D [123].

Deposisi film MoS₂ 2D melalui teknik ALD juga dapat dicapai dengan penggunaan prekursor lain. Prekursor utama lain untuk deposisi film MoS₂ 2D adalah Mo(CO)₆, H₂S dan senyawa dimetil disulfida. Jendela ALD yang cocok untuk prekursor ini berada dalam rentang 155–170 °C. Dengan memantau peningkatan massa selama siklus ALD, terungkap bahwa beberapa pulsa sumber Mo diperlukan untuk mencapai saturasi, sementara satu injeksi H₂S cukup untuk memuaskan reaksi dan mencapai laju pertumbuhan 2,5 Å/siklus dalam kondisi yang dioptimalkan [124]. Deposi lapisan atom yang ditingkatkan plasma (PE-ALD) juga dapat digunakan dengan sukses untuk menetapkan film h-MoS₂ ultra-tipis pada substrat yang berbeda. Laju pertumbuhan 0,5 Å/siklus diamati pada jendela ALD (175–200 °C) untuk deposisi film MoS₂ 2D. Jendela ALD yang lebih rendah (60–120 °C) menyebabkan deposisi film MoS₂ 2D amorf. Secara khusus, ALD pada 100 °C memungkinkan pembentukan lapisan kontinu MoS₂ amorf pada wafer Si. Untuk meningkatkan kristalinitas film ALD yang baru ditetapkan, treatment pengeringan termal cepat (RTA) nanti pada 900 °C mengarah pada pembentukan lapisan heksagonal kristal MoS₂ [125, 126]. Resep lain untuk deposisi film MoS₂ 2D adalah Tetrakis (dimetilamido) molibdena (Mo(NMe₂)₄), yang berinteraksi dengan H₂S atau alternatif 1, 2 etaneditiol (HS(CH₂)₂SH) untuk menetapkan film MoS₂ 2D. Dalam resep ini, ALD film MoS₂ terjadi pada suhu lebih rendah (T < 120 °C) karena Mo(NMe₂)₄ terurai pada suhu di atas 120 °C. Film 2D yang baru ditetapkan amorf dalam teknik ini. Jadi, pengeringan berikutnya digunakan untuk kristal film MoS₂ 2D. Analisis spektroskopi massa mengungkapkan bahwa mekanisme deposisi ALD film MoS₂ didasarkan pada pengosongan sisa ligan NMe₂ dari permukaan substrat setelah interaksi gas sulfur dengan prekursor Mo. Dibuktikan bahwa mungkin untuk menetapkan film 2D pada substrat polimerik dengan menggunakan suhu ALD yang lebih rendah.

2D WS₂ adalah contoh lain dari dalkogenida berlapis yang ditetapkan ALD pada 300 °C dengan menggunakan WF₆ dan H₂S sebagai prekursor [127]. Katalis berbasis Zn diperlukan untuk memulai deposisi film WS₂ melalui teknik ALD. Dietil zinc (DEZ) dan H₂S digunakan untuk membantu nukleasi cepat film WS₂ atas berbagai macam substrat [128]. Zn bertindak sebagai agen pengurang untuk WF₆ yang mendukung adsorpsi WF₆ pada permukaan substrat. Laju pertumbuhan awal 1,0 Å/siklus dicatat, yang kemudian berkurang setelah 50 siklus ALD deposisi WS₂. Ditemukan bahwa deposisi lapis monolaer ZnS juga memfasilitasi pertumbuhan film WS₂ dengan struktur kristal [129, 130]

WSe₂ adalah film 2D TMDC lain yang dibuat dengan ALD [124]. Dalam laporan ini, pendekatan terbatas diri untuk WCl₆ dan dietil selenida (DESe) pada suhu ALD yang lebih tinggi 600–800 °C digunakan dan ketergantungan ketebalan film pada suhu proses ALD diamati [131]. Lima, tiga dan satu lapis kristal WSe₂ ditetapkan pada wafer Si/SiO₂ (8 cm²) pada 600 °C, 700 °C dan 800 °C, masing-masing. Setelah 100 siklus ALD, pertumbuhan WSe₂ berhenti karena saturasi pertumbuhan. Film WSe₂ yang ditetapkan dengan beberapa lapis dan monolaer kristal dengan struktur madu. Film yang sama digunakan sebagai semikonduktor tipe p dalam FET dan menunjukkan kemampuan film WSe₂ yang ditetapkan ALD untuk aplikasi dalam perangkat elektronik. Dalam upaya paralel lain, ALD termal film WSe₂ yang berkelanjutan pada substrat Si/SiO₂ berhasil dilakukan pada 390 °C [132]. WCl₅ dan H₂Se digunakan untuk menetapkan film yang sangat seragam dengan struktur kristal yang baik. Kualitas dan kristalinitas film WSe₂ ALD cukup kompatibel dengan film WSe₂ yang diekskfoliasi secara mekanis dan CVD [132].

Keluarga 2D SnS_x adalah jenis material 2D lain yang intensif diteliti selama beberapa tahun terakhir. Film SnS pertama yang ditetapkan dilaporkan dengan menggunakan prekursor tin (II) 2,4-pentanedionato (Sn(acac)₂) sebagai sumber Sn dan H₂S sebagai sumber sulfur, masing-masing, di mana laju pertumbuhan 0,23 Å/siklus dicapai dalam jendela ALD dari 125 hingga 225 °C. Prekursor lain untuk ALD film SnS adalah bis(N,N’-diisopropylacetamidinato) tin (II) (Sn(amd)₂) dan N₂,N₃-di-tert-butylbutane-2,3-diamine tin (II) yang bereaksi dengan gas H₂S selama ALD [133]. Resep ini memungkinkan deposisi film SnS kristal pada suhu ALD kurang dari 200 °C.

Film 2D SnS₂ dan SnS_x ditetapkan melalui penggunaan prekursor yang mengandung atom Sn [134]. Tetrakis (dimetilamino) tin (TDMASn) [135, 136] dan asetat tin (Sn(OAc)₄) [137] sebagai prekursor logam Sn (IV) digunakan untuk ALD film SnS₂. Film SnS₂ heksagonal policristal ditetapkan dengan laju pertumbuhan 0,64–0,8 Å/siklus [134] pada rentang suhu 140–150 °C. Pertumbuhan suhu ALD di atas 160 °C mengarah pada perkembangan film monosulfida tipis. Namun, film yang baru ditetapkan selalu berisi kombinasi baik senyawa SnS dan SnS₂ yang bercampur. Kristalinitas film masih dapat ditingkatkan dengan pengeringan pasca berikutnya dalam gas H₂S pada 300 °C. Sebagai contoh, pembentukan film 2D SnS₂ ortombik tunggal fase dengan jarak antar lapisan 0,6 nm dilaporkan setelah treatment pengeringan pasca pada 300 °C dalam atmosfer H₂. Prekursor lain untuk deposisi ALD film SnS₂ adalah Sn(OAc)₄ di mana reaksi ALD pada suhu ALD 150 °C menghasilkan laju pertumbuhan 0,17 Å/siklus untuk film SnS₂ stoikiometri amorf. Secara umum, dalam deposisi ALD film SnS_x beberapa lapis dengan prekursor Sn dan gas H₂S, komposisi kimia, struktur dan stoikiometri struktur SnS_x ALD dapat dimodulasi tergantung pada kondisi deposisi dan treatment pasca-ALD [137].

Salah satu kemampuan utama ALD adalah deposisi skala wafer TMDC 2D terstruktur hetero, yang membuka peluang lebih lanjut untuk pembuatan heterostruktur vdW. Tantangan teknologi untuk deposisi film terstruktur hetero 2D adalah perhatian utama untuk deposisi mereka. Rencana dasar sebagian besar material 2D inert dengan kurangnya ikatan di permukaan, sehingga nukleasi keluarga kedua film 2D di atas lapisan pertama cukup tantang. Oleh karena itu, perlu untuk memungkinkan adsorpsi awal prekursor pada permukaan film 2D dan kemudian memfasilitasi pertumbuhan film 2D kedua atas substrat. Salah satu contohnya adalah deposisi ALD film Sb₂Te₃ pada permukaan grafen dengan menggunakan SbCl₃ dan (Me₃Si)₂Te sebagai prekursor [138]. Dalam proses ALD ini, (Me₃Si)₂Te awalnya diadorksi fisik pada grafen. Sukses suhu deposisi rendah 70 °C untuk lapis kristal Sb₂Te₃ tebal ~24,0 nm akhirnya dicapai dengan bidang kristal paralel dengan substrat grafen. Antarmuka hetero yang tajam terbentuk antara grafen dan film Sb₂Te₃ seperti yang digambarkan pada gambar mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) dalam Gambar 7a [138].

Dalam upaya lain, film logam dalkogenida terstruktur hetero 2D Sb₂Te₃/Bi₂Te₃ ditetapkan oleh proses ALD pada wafer Si/SiO₂. Di sini, tellurida bismuth dipilih untuk ditetapkan atas wafer silicon oleh teknik ALD pada 165–170 °C, karena ia menutupi Si lebih baik daripada Sb₂Te₃. Mempertimbangkan suhu ALD rendah Bi₂Te₃ (pada 65–70 °C), penggunaan pulsa SbCl₃ awal yang lama dalam ruang ALD diambil sebagai strategi yang mampu untuk memuaskan permukaan Bi₂Te₃ dan menyelesaikan reaksi permukaan untuk tahap deposisi berikutnya [139]. Pendekatan ini juga memfasilitasi penempatan tiga lapisan yang bertumpuk Bi₂Te₃/Sb₂Te₃ dengan tingkat kristalinitas yang tinggi. Contoh lain adalah pertumbuhan heterojunti semikonduktor berlapis WS₂/SnS ganda pada substrat Si/SiO₂ dengan ALD bergantian WS₂ dan SnS pada suhu ALD 390 °C [140]. Stack 2D WS₂/SnS memiliki sudut orientasi 15° antara sumbu c mereka yang berasal dari perbedaan struktur kristal dan ketidakcocokan jaringan antara WS₂ dan SnS (Gambar 7b, c) [133]. Karakteristik kristal yang tidak terkoordinasi ini dari antarmuka hetero WS₂/SnS adalah asal dari penurunan yang signifikan dalam mobilitas lubang dalam film SnS [140]. Secara umum, teknik ALD saat ini sedang mengalami progresi konsisten untuk memungkinkan deposisi jumlah lebih besar dari film TMDC 2D. Namun, masih ada peluang penelitian yang tak terhitung jumlahnya untuk mengembangkan resep ALD yang cocok untuk deposisi film TMDC 2D atas substrat yang berbeda dan juga untuk mengembangkan instrumen nanoelektronik berdasarkan TMDC 2D.

ALD dari Film Oksida Ultra-tipis

Film oksida logam tebal beberapa nanometer dapat dianggap sebagai struktur nano 2D ketika mereka dapat ditetapkan sebagai beberapa lapis film 2D. Dalam konteks ini, karakterisasi dan eksplorasi properti oksida 2D untuk aplikasi praktis dianggap sebagai pengetahuan teknikal yang berharga bersama dengan kemajuan progresif dalam miniaturisasi perangkat. Selain itu, teknologi modern menggunakan keuntungan struktur nano oksida logam ultra-tipis sebagai komponen utama dari nanodevices state-of-the-art. Akibatnya, aplikasi yang menjanjikan untuk semikonduktor dan isolator 2D ultra-tipis diharapkan, seperti sel bahan bakar oksida padat, film katalis, lapisan pelindung korosi, sensor kimia, perangkat spintronik, dan sensor cahaya UV dan terlihat. Transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) dan instrumen nanoelektronik inovatif lain secara fundamental bergantung pada film oksida logam ultra-tipis yang seragam. Sensor komplementer semikonduktor oksida logam (CMOS) secara teknis dikembangkan berdasarkan deposisi film oksida logam ultra-tipis yang membuka sejumlah aplikasi yang berbeda dari sensor citra dan cahaya hingga transistor FET dalam instrumen semikonduktor hemat energi. Sel tenaga surya, perangkat plasmonik, aplikasi penyimpanan data, fitur kompatibilitas bio dan biosensing, properti superkapasitansi, dan sensor elektrokimia di antaranya aplikasi yang baru diumumkan dan ditemukan dari semikonduktor oksida 2D. Jadi deposisi ALD film tipis semikonduktor oksida logam 2D dianggap sebagai teknologi pembuatan canggih. Ini juga target yang sangat sulit untuk dicapai mengingat fakta bahwa stabilitas struktural dan integritas molekuler film 2D dapat mudah menurun. Akibatnya, salah satu tantangan utama adalah deposisi serbaguna dan konformal dari struktur nano oksida 2D ini pada substrat yang nyaman [94]. Bagian berikut secara khusus difokuskan pada ALD materi oksida logam, dan perhatian khusus diberikan pada film 2D oksida molibdena, titanium, aluminium, dan tungsten.

MoO₃

Properti yang berbeda dari oksida molibdena tri terstruktur nano (MoO₃) membuatnya sebagai kandidat yang unggul untuk aplikasi katalitik, listrik dan optik. Ada juga beberapa fungsionalitas yang menjanjikan yang berasal dari antarmuka hetero antara semikonduktor MoO₃ dan substrat logam mereka. Prekursor untuk deposisi MoO₃ adalah bis(tert-butylimido) bis(dimetilamido) molibdena ((tBuN)₂(NMe₂)₂Mo), karena ia memberikan volatilitas dan stabilitas termal yang baik [141]. Jendela PEALD untuk oksida molibdena dengan plasma O₂ dan prekursor ((tBuN)₂(NMe₂)₂Mo) berada dalam rentang 50–350 °C. Film yang baru ditetapkan yang dibuat pada suhu di bawah 250 °C biasanya amorf, sehingga proses pengeringan pasca-deposisi diperlukan untuk mengalami transisi dari keadaan amorf ke kristal. Sementara film yang baru ditetapkan sub-stoikiometri, stoikiometri dapat disesuaikan dengan modulasi parameter plasma. Prekursor lain untuk ALD film MoO₃ ultra-tipis adalah Mo(CO)₆ yang sebagian besar digunakan melalui plasma O₂ untuk memfasilitasi PE-ALD suhu rendah film MoO₃ dalam jendela ALD sempit 152–172 °C [141]. Film MoO₃ yang dihasilkan ditetapkan dengan laju pertumbuhan 0,75 Å/siklus. Film yang baru ditetapkan ditemukan amorf dengan kekurangan oksigen pada antarmuka hetero antara substrat dan film MoO₃. Untuk mencapai struktur kristal, pengeringan pasca berikutnya pada suhu di atas 500–600 °C diperlukan. Dalam strategi lain, plasma ozon digunakan pada permukaan film MoO₃ ALD yang ditetapkan pada wafer Si/SiO₂ 300 mm [141]. Film Mo dibuat dengan menggunakan prekursor Si₂H₆ dan MoF₆ pada 200 °C. Deposisi skala wafer film MoO₃ ultra-tipis atas 4 inci Au pada wafer Si/SiO₂ dilaporkan, di mana C₁₂H₃₀N₄Mo sebagai prekursor molibdena dan plasma O₂ sebagai sumber oksigen digunakan pada dua suhu ALD 150 dan 250 °C, masing-masing. Proses ini mencakup pre-paparan permukaan Au polos oleh plasma O₂ yang membantu pembentukan ikatan OH pada permukaan Au. Chemisorpsi berikutnya dari molekul C₁₂H₃₀N₄Mo oleh situs aktif pada Au dan interaksi dengan grup OH pada permukaan film Au mengarah pada pertukaran ligan. Plasma O₂ berikutnya menyelesaikan proses oksidasi dan menyelesaikan pertumbuhan film monolaer MoO₃ ultra-tipis (Gambar 8). Perkembangan ikatan Mo–O-Mo diharapkan setelah selesai proses oksidasi. Terakhir, film MoO₃ tebal 4,6 nm ditetapkan atas substrat wafer. Dalam teknik ini, laju pertumbuhan dari 0,78 Å/siklus hingga 1,21 Å/siklus diukur ketika suhu ALD meningkat dari 150 hingga 250 °C [141].

WO₃

TiO₂

Deposisi skala wafer film titan dioksida (TiO₂) ultra-tipis pada substrat Si/SiO₂ dicapai dengan menggunakan prekursor tetrakis (dimetilamino) titanium (TDMAT) dan H₂O sebagai agen oksidasi [145]. Suhu ALD optimum 250 °C dipilih untuk ALD film monolaer TiO₂ pada substrat skala wafer. Untuk mencapai cakupan lengkap film monolaer TiO₂, dua siklus super ALD individual dirancang dan diimplementasikan [145]. Siklus super pertama terdiri dari 10 siklus berurutan pulsa/purge TDMAT untuk memastikan cakupan permukaan yang andal oleh prekursor. Kemudian, 10 tahap pulsa/purge H₂O dilakukan untuk memastikan penyelesaian oksidasi [145]. Studi XPS mengonfirmasi perubahan energi ikatan pada puncak Si 2p dan Ti 2p setelah deposisi film 2D TiO₂ dapat dijelaskan oleh perkembangan ikatan Si–O–Ti pada antarmuka antara SiO₂ asli dan film 2D TiO₂ yang ditetapkan. Deposisi TiO₂ pada substrat SiO₂ diiringi oleh penurunan energi ikatan Si⁴⁺ yang terkait dengan fakta bahwa silikon lebih elektronegatif dari titanium. Bukti ikatan jembatan oksigen juga ditunjukkan oleh karakterisasi modus getaran ikatan Ti–O–Ti dalam spektrum FTIR film monolaer TiO₂ dan juga oleh investigasi spektrum XPS film monolaer [145]. Bandgap 3,37 eV diukur untuk film TiO₂ ini dengan ketebalan skala atom. Kemampuan ALD untuk deposisi film ultra-tipis sangat penting untuk aplikasi fungsional seperti mikroelektronika dan katalisis di mana hanya beberapa siklus ALD yang diinginkan. Tabel 3 merangkum kasus praktis untuk pengembangan ALD berbagai oksida logam 2D yang dilaporkan sejauh ini.

Mengenai stabilitas struktur nano 2D yang dibuat ALD dan antarmuka heteronya, ini terutama bergantung pada kimia permukaan ALD dari material 2D, terutama karena kesenangan dari rencana dasar mereka diharapkan untuk menghambat pertumbuhan dan oleh karena itu pembentukan heterostruktur vdW. Selain itu, karena setiap prekursor memiliki jendela “ALD” suhu deposisi yang spesifik, pendekatan trial and error diperlukan untuk optimisasi suhu pembuatan ALD untuk setiap prekursor spesifik dengan mempertimbangkan ketebalan dan porositas akhir materi yang ditetapkan [98, 109]. Karena suhu deposisi rendah, ALD oksida 2D biasanya mengarah pada pembuatan lapisan amorf [32, 94]. Oleh karena itu, ketika fase kristal oksida logam diperlukan, treatment pengeringan pasca umumnya diterapkan, meningkatkan kualitas kristal film serta antarmuka dengan substrat, yang pada akhirnya mengarah pada stabilitas yang lebih baik dari nanomaterial 2D seiring waktu. Terakhir, meskipun ALD tampaknya menjadi metode pilihan untuk membuat monolaer oksida karena kontrol yang tepat atas ketebalan film, hanya sejumlah laporan yang dapat ditemukan dalam literatur [21, 32, 98, 141, 144, 145]. Oleh karena itu, area oksida logam 2D dan antarmuka hetero mereka yang dibuat oleh ALD masih cukup kurang terjelajahi.

Oksida Permukaan 2D Logam Cair yang Terbatas Diri

Perpustakaan material 2D inovatif untuk aplikasi canggih saat ini terbatas oleh metode sintesis konvensional film 2D. Exfoliasi mekanis film 2D dari bulk berlapis inangnya bukan metode yang teknis presisi dan menarik karena distribusi ukuran dan ketebalan lembar nano yang dihasilkan tidak dikontrol dengan cukup dan akurat [146]. Sementara teknik vacum tinggi dianggap akurasi dari film yang ditetapkan sebagai film berkualitas tinggi, metode ini masih mahal, memakan waktu, dan terbatas oleh ketersediaan prekursor [64]. Di sisi lain, selalu diinginkan untuk memperkenalkan metode sintesis baru dari material 2D untuk mendapatkan struktur nano 2D canggih dengan properti yang superior. Jadi, sintesis materi semikonduktor 2D inovatif dengan karakteristik yang berbeda atau ditingkatkan masih merupakan tantangan fundamental.

Logam cair suhu ruangan adalah sekelompok logam dan aloi dengan inti logam kaya elektron unik yang memungkinkan mereka untuk tetap dalam keadaan cair bahkan pada suhu ruangan. Antarmuka logam cair dengan lingkungan sekitar adalah asal dari salah satu film 2D paling alami [147]. Film oksida permukaan yang terbatas diri ini (kulit) adalah salah satu material datar paling sempurna dengan ketebalan skala atom [148]. Struktur kristal ini adalah inang dari properti unik dan telah menyediakan platform baru untuk sintesis material thin-film 2D berkualitas tinggi untuk aplikasi canggih [149]. Di sini, logam cair memiliki peran sebagai materi inang untuk sintesis film 2D. Terhadap struktur atom, komposisi elemen, keluwesan dan termodinamika logam cair, dan lebih lanjut, dengan mempertimbangkan karakteristik nukleasi dan pertumbuhan film oksida permukaan, sejumlah besar parameter terlibat untuk menentukan properti film oksida permukaan 2D yang diekstrak [150]. Aloi logam monofasik titik leleh rendah terdiri dari logam pasca transisi (Ga, In, Sn, Pb, Al, dan Bi) dan elemen grup 12 (Zn, Cd, dan Hg). Elemen ini dapat digabungkan untuk menghasilkan sekelompok aloi cair dengan titik leleh rendah. Aloi logam bifasik (campuran padat dan cair) dapat terbentuk baik dengan penyimpangan komposisi aloi dari titik eutektik atau melalui penambahan elemen solute di atas batas kelarutan ke dalam pelarut logam cair [151]. Galium (Ga) adalah salah satu logam cair yang paling terkenal dengan titik leleh suhu ruangan dan memiliki ikatan kovalen dan logam dalam keadaan padat. Anisotropi struktural yang kuat dan ikatan atom yang lemah antara dimer Ga berasal dari jarak antara atom tetangga Ga 2,7–2,9 Å yang dianggap sebagai jarak yang signifikan antara dimer galium [152]. Ikat atom yang lemah ini menghasilkan struktur kristal yang lemah dalam galium yang dapat mudah pecah pada suhu ruangan [153]. Peluruhan Ga dengan beberapa elemen lain dapat mengakibatkan penurunan lebih lanjut titik leleh aloi cair. Salah satu contoh terkenal adalah aloi Ga-In, ketika titik leleh menurun menjadi 16 °C pada titik eutektik aloi In-Ga dengan konsentrasi atom 14,2% indium [153]. Antarmuka antara aloi galium dan atmosfer sekitar terdiri dari oksida galium (Ga₂O₃) tebal skala atom. Logam cair bereaksi dengan oksigen atmosfer bahkan pada tekanan oksigen yang sangat rendah membentuk reaksi oksidasi logam yang terbatas diri [153]. Film oksida ultra-datar ini di antara material 2D yang tumbuh alami paling sempurna [61]. Film alami ini mencegah logam cair dari oksidasi lebih lanjut. Transfer ionik melalui film oksida permukaan alami adalah faktor kontrol untuk pertumbuhan alami film oksida permukaan logam cair dan aloi. Pembentukan film oksida ini mengarah pada pengurangan tertinggi energi bebas Gibbs (ΔG_f) [154]. Dalam aloi logam cair, film oksida permukaan sebagian besar terdiri dari film oksida permukaan dari salah satu film oksida elemen dari komponen aloi. Contoh yang paling terkenal adalah permukaan film oksida aloi galinstan. Galinstan (EGa, In, Sn) adalah aloi eutektik galium–indium–tin. Namun, oksida permukaan galinstan terdiri dari Ga₂O₃. Karena ΔG_f dari Ga₂O₃ lebih rendah dari pada In₂O₃ dan SnO₂ dalam atmosfer oksigen, oksida permukaan aloi galinstan sebagian besar terdiri dari Ga₂O₃ [155]. Dengan strategi sintesis yang sama, mungkin untuk mensintesis film oksida 2D bercampur seperti indium–tin–oksida. Untuk tujuan ini, aloi In–Sn cair harus digunakan untuk mengekstrak film 2D dari permukaan aloi In–Sn cair [154].

Karena properti nonpolar dari logam cair, gaya tarik antara logam cair dan film oksida permukaan alaminya lemah dan terlokalisasi. Jadi, gaya mekanis lemah dapat dengan mudah memisahkan film oksida permukaan dari permukaan logam cair. Pemisahan film oksida permukaan dapat dilakukan melalui pemisahan mekanis dan exfoliasi film 2D dengan menerapkan metode exfoliasi mekanis termasuk sonikasi, sentuhan logam cair dengan substrat yang dipilih dengan baik, rolling mekanis logam cair dan aloi atas substrat halus dan pemisahan serta ekstraksi film 2D melalui perbedaan densitas dan gradien antara senyawa yang disintesis. Metode ini digunakan baru-baru ini untuk pemisahan beberapa jenis film oksida permukaan logam cair dari aloi inang mereka. Bagian berikut akan meninjau beberapa film oksida permukaan logam cair dan aloi yang baru disintesis.

SnO _x

Film 2D SnO_x berhasil dipisahkan melalui exfoliasi vdW dari film oksida permukaan timah cair. Timah elemen (Sn) dengan titik leleh rendahnya (231,9 °C) [156] dan konduktivitas tingginya (9,17 × 10⁶ σ) digunakan sebagai sambungan listrik dalam peralatan elektronik. Dampak anti-korosi dari lapisan oksida timah telah dikonfirmasi sebelumnya. SnO₂ secara alami menutupi permukaan aloi timah dalam kondisi atmosfer dan mencegah oksidasi lebih lanjut Sn [156]. Ditemukan bahwa film oksida permukaan alami timah cair dalam atmosfer ambien terdiri dari campuran oksida timah yang sebagian besar terdiri dari SnO₂, dengan beberapa kontribusi SnO, Sn₂O₃ dan Sn₃O₄ [156]. Kontrol yang tepat terhadap paparan oksigen ke permukaan timah cair segar adalah faktor teknis utama untuk menentukan komposisi film oksida permukaan aloi timah. Ini adalah faktor yang sangat penting selama sintesis film oksida permukaan timah cair, ketika kita mempertimbangkan fakta bahwa SnO₂ adalah semikonduktor tipe n-, dan SnO adalah semikonduktor tipe p dengan berbagai properti listrik yang berbeda. Karakteristik bipolar dari SnO adalah properti penting lainnya dari materi ini yang membuatnya sebagai pilihan fungsional untuk aplikasi dalam inverter listrik [157]. Selain itu, stabilitas dan sensitivitas yang tinggi dari film SnS yang sudah terbukti menjadikannya opsi yang diinginkan untuk aplikasi dalam sensor FET berbasis kimia dan film katalis. Transparansi adalah karakteristik lain dari film SnS yang berasal dari bandgap lebar dari semikonduktor ini [156, 157].

Untuk mengeksfoliasi film 2D SnO_x, film oksida permukaan segar dari timah cair dipisahkan secara mekanis oleh kontak permukaan substrat Si/SiO₂ dengan permukaan aloi cair di dalam kotak sarung tangan [158]. Skema proses ditunjukkan secara grafik pada Gambar 10a [158]. Film SnO_x yang dipisahkan dalam atmosfer ambien memiliki ketebalan ~ 0,6 nm [157] dengan struktur kristal. Mempertimbangkan jarak antar lapisan kristal SnO (0,484 nm), film tebal 0,6 nm dapat dianggap sebagai film monolaer SnO dan film tebal 1,1 nm adalah therefore film 2D bilayer SnO (Gambar 10b). Film 2D yang disintesis di kotak sarung tangan dan di bawah konsentrasi oksigen 10–100 ppm memiliki karakteristik permukaan yang sangat halus. Pengukuran jarak antar lapisan menunjukkan bahwa lembar nano yang terbentuk di bawah atmosfer ambien terdiri dari dua materi yang berbeda dengan jarak antar lapisan 2,7 Å dan yang lain 3,35 Å, yang masing-masing diatribusikan pada jaringan kristal SnO dan SnO₂. Jarak jaringan 2,7 Å terkait dengan bidang (110) SnO, sementara jarak jaringan 3,35 Å diatribusikan pada bidang (110) SnO₂, masing-masing (Gambar 10c–e) [158]. Contoh yang disintesis dalam atmosfer reduktif sebagian besar ditutupi oleh film SnO. Pengukuran bandgap film SnO menunjukkan bandgap langsung 4,25 eV. Film 2D ultra-tipis ini digunakan untuk membuat transistor FET berbasis SnO. Karakteristik tipe p dari FET berbasis SnO yang dikembangkan dikonfirmasi dengan mobilitas 0,7 cm²V⁻¹ s⁻¹ (Gambar 10g) yang jauh lebih tinggi dari perangkat FET serupa berdasarkan film bilayer SnO yang ditetapkan lapisan pulsed dengan mobilitas 0,05 cm²V⁻¹ s⁻¹ [159].

GaPO ₄

Semikonduktor fosfat galium (GaPO₄) yang stabil suhu tinggi (hingga 930 °C) adalah salah satu semikonduktor piezoelektrik fungsional dengan posisi teknis yang luar biasa dibandingkan lawannya α-kuartz [61]. Fosfat galium memiliki struktur trigonal dengan parameter sel a = 4,87 Å dan c = 11,05 Å dan γ = 120° (Gambar 11a) [160]. Piezoelektrik memfasilitasi konversi saling energi listrik atau pulsa menjadi gaya mekanis atau osilasi. Untuk mengembangkan instrumen dan generator listrik miniatur, sangat diperlukan untuk mensintesis material piezoelektrik 2D untuk teknologi nanoelektronik baru. Dalam perangkat ini, getaran, lenturan dan perpindahan tingkat atom dapat dipantau dan kemudian memfasilitasi panenan energi kinetik osilasi dari material piezoelektrik. Hilangnya simetri sentra adalah spesifikasi struktural utama dari material 2D dengan properti piezoelektrik [160]. Banyak jenis material 2D termasuk TMDC dengan jumlah lapis ganjil, oksida logam transisi, nitrida aluminium, GeS dan SnSe₂, h-BN dan grafen mampu menunjukkan properti piezoelektrik [161,162,163] pada suhu rendah. Saat ini, sangat diperlukan untuk mensintesis material 2D baru dengan performa piezoelektrik yang stabil pada suhu operasional tinggi. Ini adalah masalah yang sangat menantang karena performa material piezoelektrik 2D gagal karena perubahan struktural pada suhu kerja yang tinggi. Kesulitan lain timbul dari tahap penataan yang menantang dari film piezoelektrik 2D homogen dari instrumen fungsional.

Sebagai prestasi yang berhasil, film 2D GaPO₄ piezoelektrik arketytypal baru disintesis melalui pemrosesan film oksida permukaan 2D dari galium. Fosfat galium piezoelektrik arketytypal tidak secara alami tersedia dalam struktur kristal yang dikorbankan [160], dan oleh karena itu teknik exfoliasi mekanis konvensional tidak mampu untuk sintesis film kristal fosfat galium 2D. Dalam metode ini, film oksida permukaan alami galium diekskfoliasi secara mekanis dari aloi cairnya melalui teknik delaminasi vdW, lihat Gambar 11b. Treatment pengeringan pasca sekunder digunakan di dalam peletek untuk treatment phosphatisasi sekunder [61]. Gas uap yang berisi fosfor bereaksi secara kimiawi dengan permukaan film 2D Ga₂O₃ melalui pemanasan bubuk H₃PO₄. Gas N₂ berperan sebagai gas pembawa untuk transfer gas uap fosfor ke permukaan film 2D Ga₂O₃ pada 300–350 °C (Gambar 11b). Pengukuran AFM dan HRTEM berikutnya pada sampel mengonfirmasi sintesis film 2D tebal 1,1 nm dengan karakteristik dimensi yang serupa dengan trigonal GaPO₄ dalam arah kristal c (Gambar 11c) [160]. Studi XRD dan karakterisasi Raman telah mengonfirmasi bahwa film 2D GaPO₄ memiliki struktur kristal dengan dominasi bidang (003) dan (102) dari trigonal α-GaPO₄. (Gambar 11d, e). Bandgap lebar 6,9 eV diukur untuk film α-GaPO₄ (Gambar 11f). Pengukuran eksperimental menguatkan kembali properti piezoelektrik out-of-plane yang kuat untuk struktur nano 2D GaPO₃ yang sekitar 8,5 pm V⁻¹ [160]. Karakteristik piezoelektrik yang besar ini dari α-GaPO₄ 2D menyoroti kemampuan metode sintesis ini untuk mengembangkan material 2D baru dengan properti mekano-listrik yang berbeda.

GaN

Pendekatan post-pemrosesan yang sama digunakan untuk mensintesis film 2D GaN dan InN dari film oksida permukaan logam cair galium dan indium [160]. Teknik ini didasarkan pada cetak tekan titik logam cair galium antara substrat paralel Si/SiO₂ (Gambar 12a). Dalam kontak dengan atmosfer, Ga cair langsung teroksidasi dalam kondisi atmosfer. Proses sintesis mengarah pada pembentukan film 2D Ga₂O₃ dengan ketebalan 1,4 nm [157]. Reaksi amonolisis berikutnya pada 800 °C dilakukan dalam kehadiran urea. Ditemukan bahwa suhu reaksi yang lebih rendah tidak memfasilitasi konversi Ga₂O₃ menjadi film GaN wurtzite (Gambar 12b) [160]. Ketebalan film setelah proses amonolisis ditemukan 1,3 nm yang sesuai dengan tiga sel unit wurtzite GaN (Gambar 12c). Konstanta jaringan 5,18 nm diukur untuk film 2D GaN. Studi TEM juga mengonfirmasi struktur kristal GaN dengan jarak antar lapisan 0,28 sepanjang bidang kristal (001) (Gambar 12d) [160]. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) memastikan jumlah nitrogen yang cukup diganti oleh atom oksigen dalam struktur GaN yang disebabkan oleh panjang ikatan yang serupa Ga-O dan Ga-N. Target adalah untuk menurunkan tingkat oksigen dalam film 2D GaN. Namun, penghapusan oksigen yang berhasil dari film 2D GaN tidak dicapai bahkan selama proses sintesis pada suhu tinggi. Bandgap E_g = 3,5 eV diukur untuk film 2D GaN (Gambar 12e) dibandingkan dengan film Ga₂O₃. Alasan penurunan yang signifikan dalam bandgap diatribusikan pada pergeseran ke atas dari band valensi film GaN karena hibridisasi orbital O_2p-N_2p [160].

Strategi yang sama digunakan untuk sintesis film 2D InN melalui teknik sintesis dua tahap [160]. Dalam metode ini, film 2D In₂O₃ yang diekskfoliasi vdW diekstrak dari permukaan indium cair. Tahap brominasi perantara dilakukan untuk mentransfer In₂O₃ ke InBr₃. Tahap post-pemrosesan 20 detik dari film In₂O₃ yang bersebelahan dengan sumber HBr cukup untuk menyelesaikan transformasi fase dari In₂O₃ ke InBr₃ [61]. Treatment amonolisis berikutnya dari film 2D InBr₃ oleh sumber NH₃ pada suhu 630 °C mengarah pada transformasi fase InBr₃ ke InN [160]. Studi karakterisasi berikutnya mengonfirmasi pengembangan struktur nano wurtzite InN ultra-tipis kristal 2D dengan konstanta jaringan kristal 5,5 Å dengan bandgap 3,5 eV [160]. Secara umum, teknik sintesis multitahap ditemukan sebagai pendekatan yang andal menuju sintesis struktur nano 2D canggih dengan menggunakan oksida permukaan logam cair. Struktur nano 2D yang dikembangkan telah dengan jelas menunjukkan karakteristik elektronik dan optoelektronik baru yang tidak diharapkan dan diamati dalam struktur nano 2D serupa, yang disintesis melalui metode deposisi berbasis vacum tinggi [164].

SnO/In ₂ O ₃ 2D Heterostruktur

Heterojunti p-n saat ini adalah blok pembangun perangkat semikonduktor di mana antarmuka hetero antara dua materi semikonduktor dengan properti mobilitas muatan yang berbeda digunakan untuk membuat berbagai jenis instrumen elektronik dan optoelektronik. Secara khusus, perangkat terstruktur hetero berdasarkan film 2D dapat dikembangkan oleh beberapa pendekatan dan teknik berbeda termasuk exfoliasi mekanis dari materi inang, CVD, ALD, epitaksi berkas molekular, dan deposisi laser pulsed [165, 166]. Strategi baru yang menarik baru-baru ini digunakan untuk membuat materi berlapis 2D terstruktur hetero vdW melalui tumpukan berbagai kristal berlapis 2D yang diekstrak dari logam cair dan aloi mereka. Heterojunti p-n dikembangkan oleh exfoliasi vdW dari film SnO dan In₂O₃ 2D [167]. Dalam metode ini, heterostruktur 2D vdW SnO/In₂O₃ dikembangkan [167] oleh transfer vdW dari film oksida permukaan timah cair (p-SnO) di atas oksida permukaan alami indium (n-In₂O₃). Film terstruktur hetero 2D yang dikembangkan pada akhirnya terdiri dari film 2D p-SnO/n-In₂O₃ yang ditempelkan satu sama lain melalui gaya vdW (Gambar 13a, b) [167]. Studi mikrostruktur berikutnya pada tingkat atom mengonfirmasi pembentukan antarmuka hetero vdW antara film SnO/In₂O₃ dengan dua struktur kristal dengan karakteristik yang berbeda yang dibuat pada substrat Si/SiO₂ (Gambar 13c). Jarak jaringan 0,27 nm terkait dengan bidang (321) dari kristal In₂O₃, dan film 2D lain dengan 0,298 Å diatribusikan pada bidang (101) SnO. Film terstruktur hetero memiliki ketebalan 4,5 nm (Gambar 13d, e). Studi karakterisasi Raman dan optik mengonfirmasi pengembangan antarmuka hetero dengan puncak absorpsi optik film SnO/In₂O₃ yang terletak pada 251 nm, yang merupakan angka antara 246 nm (puncak absorpsi SnO) dan 256 nm (puncak absorpsi In₂O₃ pada Gambar 13f, g) [167]. Salah satu properti utama dari film terstruktur hetero adalah kopling interlapis yang kuat dari pembawa muatan yang mempengaruhi absorpsi optik film 2D. Bandgap film terstruktur hetero menyempit menjadi 2,30 eV sementara bandgap SnO dan In₂O₃ individual adalah 4,8 eV dan 3,65 eV, masing-masing, [167]. Skema perataan band pada antarmuka hetero vdW 2D SnO₂/In₂O₃ ditunjukkan pada Gambar 13h. Bandgap efektif pada junti p–n diharapkan 2,30 eV, yang dekat dengan nilai yang dihitung dari bandgap film terstruktur hetero 2D dari plot Tauc. Bandgap yang sempit membantu pemisahan muatan pada antarmuka hetero, sehingga elektron–lubang yang terang dapat dipisahkan dengan mudah dan mereka dapat berpindah secara layak dari band valensi SnO ke band konduksi film In₂O₃. Perataan band energi spesifik pada antarmuka hetero vdW SnO₂/In₂O₃ menunjukkan kemampuan yang cukup mengesankan dan fotodetektivitas yang luar biasa 5 × 10⁹ J dengan rasio arus foto 24 dan responsivitas foto yang luar biasa 1047 A/W [167]. Di sini, teknik cetak logam cair ditemukan sebagai pendekatan potensial yang berharga untuk pembuatan materi terstruktur hetero 2D, yang tidak secara alami ada sebagai struktur berlapis dalam alam.

Oleh karena itu, film oksida logam ultra-tipis alami pada permukaan logam cair dan aloi ditemukan sebagai materi fungsional dengan aplikasi yang luar besar. Sifat ultra-tipis, bebas lubang semak dan dimensi lateral yang besar dari film ini bersama dengan delaminasi vdW yang mudah dari mereka pada substrat yang diinginkan memberikan platform yang hebat untuk sintesis yang sukses dari generasi baru material 2D dan instrumen elektronik terkait [168]. Tabel 4 telah menyediakan informasi representatif tentang materi dan perangkat 2D yang baru dikembangkan berdasarkan film oksida permukaan 2D dari logam cair dan aloi.

Aplikasi Baru dari Semikonduktor 2D

Memristor Berbasis Semikonduktor 2D

Teknologi informasi saat ini menghadapi pertumbuhan yang cepat dari jumlah data yang dihasilkan. Pemrosesan data di era baru membutuhkan pengembangan teknologi penyimpanan data canggih jauh di luar konsep teknologi berbasis silikon saat ini. Saat ini memori berbasis Si menghadapi batas teknologinya, selain itu instrumen CMOS komplementer juga menderita dari penarikan dimensi fisik dan masalah teknologi [169]. Akibatnya, sangat diperlukan untuk mengembangkan materi terstruktur nano baru dengan properti yang ditingkatkan dan juga untuk memodifikasi perangkat yang ada untuk mengatasi keterbatasan teknologi yang terkait dengan kapasitas penyimpanan unit memori. Teknologi von Neumann mencoba meniru mekanisme kerja otak manusia di mana jaringan sinapse biologis yang saling terhubung yang rumit memungkinkan kita untuk mengingat, belajar, mengingat, mengenali, memproses dan memahami operasi multitugas dengan konsumsi energi minimum. Konsumsi energi rata-rata untuk satu peristiwa sinapsis berada dalam rentang 1–10 fj, yang setidaknya 5 orde besar lebih rendah dari konsumsi energi komputer konvensional yang ada [170]. Arsitektur teknologi von Neumann saat ini tidak efisien karena unit memori dan pemrosesan mereka terpisah secara fisik. Memristor non-volatil hemat energi dengan dimensi skala nano, kinerja tinggi, dan kecepatan pemrosesan yang ditingkatkan dapat merespons teknologi memori saat ini yang berada pada tahap bottleneck [170]. Mengenai masalah konsumsi energi, material 2D dapat digunakan sebagai memristor struktural nano ultra-tipis. Perilaku switching resistif (RS) dari material 2D juga telah dieksplorasi baru-baru ini. Ditemukan bahwa penggunaan material 2D dalam unit memori dapat secara potensial mengatasi keterbatasan saat ini dalam perangkat memori [171]. Baru-baru ini, karakteristik non-volatil dari material 2D telah intensif diteliti dan dikarakterisasi. Material berlapis semikonduktor 2D dan film oksida ultra-tipis memiliki rentang luas properti di berbagai bidang yang juga dapat diiringi oleh karakteristik memristif mereka.

Memristor Berbasis TMDC

Perkembangan terbaru dalam teknologi pembuatan nanodevice memungkinkan penggunaan film TMDC ultra-tipis dalam instrumen fungsional. CVD dan CVD logam organik berhasil digunakan untuk menetapkan film 2D MoS₂, MoSe₂, WS₂, dan WSe₂ monolaer dalam konfigurasi vertikal bersandwich antara elektroda Au atas substrat Si/SiO₂ (Gambar 14) [172]. Dikonfirmasi bahwa film TMDC monolaer tidak memiliki batas kristal dan mereka bebas dari senyawa oksida. Jadi, antarmuka hetero bebas oksida terbentuk antara elektroda Au dan film TMDC 2D. Antarmuka hetero yang tajam dan bersih ini meningkatkan kemungkinan pengukuran yang tepat dari properti listrik film 2D. Skema grafik perangkat memristor, tampilan atas perangkat dan gambar TEM potongan dari Au/MoS₂/Au memristor disajikan pada Gambar 14a–c, masing-masing. Karakterisasi MoS₂ 2D oleh mikroskop tuneling skening resolusi atom (STM) (Gambar 14d) menunjukkan kualitas yang relatif tinggi dan additionally menunjukkan cacat kosong sulfur lokal dalam film MoS₂. Unit berdasarkan film MoS₂ monolaer memverifikasi rasio on/off yang tinggi di atas 10⁴ dan waktu retensi yang sebesar 10⁶ s. Perilaku switching resistif bipolar diamati dalam perilaku semua memristor berdasarkan film 2D MOS₂, MoSe₂, WS₂, dan WSe₂. Kedua perilaku switching resistif unipolar dan bipolar terdeteksi selama studi respons switching resistif dari film MoS₂. Peningkatan tiba-tiba dari arus perangkat di semua sampel menunjukkan terjadinya fenomena break down dielektrik. Pembentukan filamen konduktif (CF) dalam lapisan aktif memristor 2D adalah mekanisme utama dari RS (Gambar 14e–i). Jadi, elektroforming dapat dihindari dengan menurunkan ketebalan lapisan aktif memristor ke rentang beberapa nanometer. Kelemahan utama dari strategi ini adalah arus bocor berlebihan yang berasal dari tunnel assisted perangkat [165]. Sesekali, RS unipolar diamati dalam unit metal/insulator/metal monolaer MoS₂ tertentu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14 f. Perilaku RS bipolar tipikal juga disajikan dalam studi perilaku resistif dari atomristor berdasarkan film MoSe₂, WS₂ dan WSe₂ monolaer, masing-masing [172].

Dalam konfigurasi lain, memristor berdasarkan monolaer MoS₂ dikembangkan di mana elektroda Cu digunakan sebagai elektroda aktif untuk membuat perangkat memori metalisasi elektrokimia [173]. Dalam instrumen ini, film Au berperan sebagai elektroda konduktif iners. Skema perangkat ini ditunjukkan pada Gambar 15a. Karena difusi ion Cu dalam lapis MoS₂, filamen Cu skala atom yang konduktif terbentuk dalam double monolayer MoS₂. Oleh karena itu, memristor ini termasuk dalam kategori memori metalisasi elektrokimia (ECM), sementara kinerja memristif dari perangkat MoS₂ 2D lain dengan elektroda iners (serupa Au) didasarkan pada migrasi kosong sulfur. Kosong sulfur dalam film tipis MoS₂ membuat filamen konduktif dengan dimensi skala atom, dan oleh karena itu jenis memristor MoS₂ ini dikenal sebagai memori perubahan valensi (VCM) [173].

Dalam ECM yang dibuat (Gambar 15), dua dimensi dan metalisasi elektrokimia oleh filamen kation Cu mengakibatkan penurunan yang signifikan dalam tegangan switching hingga 0,2 V (Gambar 15b). Karakteristik ini timbul dari energi aktivasi difusi kation Cu yang lebih rendah dalam lapis MoS₂ dibandingkan dengan kosong sulfur dalam film MoS₂ 2D [173]. Switching resistif bipolar adalah karakteristik utama dari kurva I-V dari memristor dengan tegangan set pada 0,25 V dan tegangan reset pada − 0,15 V. Terjadi bahwa mayoritas memristor double-layer MoS₂ bebas dari proses forming. Dengan menggunakan memristor double-layer MoS₂ mekanisme transportasi dalam perangkat Cu/double layer MoS₂/Ag diselidiki. Gambar 15b menggambarkan karakteristik I–V dari memristor sebelum proses forming (keadaan prima) serta untuk HRS dan LRS (setelah forming). Instrumen beroperasi dalam keadaan prima dengan resistansi 16,6 kΩ ketika tegangan yang diterapkan pada unit kurang dari 0,3 V. Tunnel kuantum dikenal sebagai mekanisme konduksi dalam memristor dalam keadaan prima. Dalam kondisi ini, resistansi jauh lebih besar dari resistansi perangkat setelah proses forming memristor. Peningkatan lebih lanjut dari tegangan yang diterapkan di luar 0,3 V dalam keadaan prima diiringi oleh transisi dalam kurva I–V ke daerah slope 2 (I ∝ V²), yang sesuai dengan keadaan konduksi yang terbatas ruang. Peningkatan dramatis dari arus setelah peningkatan tegangan yang diterapkan (lebih dari 0,6 V) diatribusikan pada pembentukan filamen konduktif Cu dalam film MoS₂ (Gambar 15c). Tegangan yang lebih tinggi yang dikenakan pada elektroda Cu mengarah pada oksidasi elektroda atas Cu. Ini mengarah pada migrasi kation Cu menuju elektroda bawah Au untuk direduksi dan ditetapkan di sana. Filamen konduktif Cu dibangun sepanjang batas kristal yang cacat dari film MoS₂ 2D dan perangkat beralih ke LRS.

Switching Resistif Komplementer dalam Film Oksida Logam Transisi

Doping ion dalam film semikonduktor dapat secara nyata mengubah mekanisme transfer muatan dalam film ultra-tipis ini. Karakteristik memristif dari 2 semikonduktor juga secara nyata dipengaruhi oleh kehadiran spesies ion asing lainnya di dalam materi aktif memristor. TiO₂ adalah salah satu semikonduktor yang dikenal dengan karakteristik switching resistif. Film ALD TiO₂ tebal 7,0 nm digunakan untuk menyelidiki dampak interkalasi ion terhadap switching resistif dari film ultra-tipis ini [174]. Untuk memahami efek interkalasi Indium (In) dalam lapisan aktif memristor (TiO₂), sebuah setup incorporasi ion dibuat. Interkalasi ion dalam setup ini difasilitasi oleh tegangan pengemudi yang dikenakan pada larutan yang mengandung ion yang menutupi permukaan film TiO₂ 2D. Pengukuran potentodinamik (I–V sweep) dari memristor Pt/TiO₂/Au dan Pt/In-doped TiO₂/Au dalam kondisi gelap menunjukkan mekanisme RS yang berbeda untuk film TiO₂ yang didoping ion In dan non-doping. Perangkat Pt/TiO₂/Au menunjukkan perilaku switching bipolar (Gambar 16a). V_Set = 0,94 dan V_Reset = − 0,98 selama pengukuran sweeping I–V diamati [174]. Perilaku RS bipolar dari film dijelaskan oleh drift ionis kosong oksigen akibat tegangan yang diterapkan pada elektroda Au dan Pt yang elektrokimia iners. Unit ini dikategorikan sebagai sel VCM. Representasi skematis dari distribusi kosong oksigen untuk keadaan off dan on ditunjukkan pada Gambar 16b dan c. Anggota dielektrik dari memristor dikarakterisasi dengan dua bagian: TiO_2-x yang kurang konduktif dengan ketebalan t dan bagian isolator dengan ketebalan D-t. Tegangan yang diterapkan pada elektroda menyebabkan drift ionis kosong oksigen, yang diiringi oleh pergeseran batas antara komponen konduktivitas rendah dan bagian isolator dari lapisan aktif memristor. Dalam kondisi ini, kurva I–V dari perangkat tidak lagi Ohmik dan akan non-linier. Dalam model yang diusulkan, ketebalan lapisan isolator harus cukup kecil (beberapa nanometer) untuk memungkinkan medan listrik berkembang dan mempromosikan drift ionis cacat [174].

Film TiO₂ yang didoping In menunjukkan perilaku switching resistif komplementer (CRS) selama sweeping tegangan antara − 1,0 V dan + 1,0 V (Gambar 17a) perangkat diset pada tegangan yang lebih tinggi dan lagi di-reset pada tegangan yang lebih rendah lainnya dengan polaritas yang sama [174]. Sel diset untuk pertama kalinya pada V_Set1 = 0,732 V dan lalu di-reset lagi dalam polaritas yang sama pada V_Reset1 = 0,1277 V. Dalam tegangan negatif, switching LRS ke HRS kedua terjadi pada V_Set2 = − 0,7055 V dan lagi di-reset ke HRS pada V_Reset2 = − 0,0901 V. Mekanisme transfer muatan yang didukung termal adalah teori paling mungkin yang menjelaskan switching resistif dalam film 2D TiO₂ yang didoping ion. Switching unipolar mengonfirmasi sifat filamen dari switching resistif. Switching resistif filamen sebagian besar didasarkan pada ECM dari spesies ion seluler yang disebabkan oleh migrasi kation logam. Ia memfasilitasi pembembangan jembatan logam filamen (on state), yang dapat dirusak nanti (off state). Mekanisme filamen adalah karakteristik dari memristor ini, yang dibuat dengan elektroda aktif elektrokimia, sementara memristor TiO₂ yang didoping In ditempelkan antara elektroda Au dan Pt iners. Diperkirakan bahwa perilaku switching perangkat TiO₂ yang didoping In berasal dari migrasi komponen anion dan kation. Perilaku switching yang serbaguna dari perangkat TiO₂ yang didoping In dapat membuktikan bahwa komponen anion dan kation terlibat dalam mekanisme CRS. Model yang diusulkan mengusulkan bahwa redistribusi kosong oksigen dan ion Indium di dalam lapis TiO₂ dapat mempengaruhi, mengubah dan memfasilitasi RS. Dalam tumpukan oksida terstruktur hetero, kombinasi lapis oksida kekurangan oksigen (mode LRS) dengan lapis oksida kaya oksigen lain (mode HRS) memicu CRS dari memristor terstruktur hetero yang disebabkan oleh gerakan kosong oksigen. Perubahan bertahap dari konsentrasi oksigen dapat memicu terjadinya CRS dari memristor karena perbedaan resistansi tumpukan TiO₂. Dari sudut pandang lain pembentukan saluran konduktif filamen membantu RS dan meningkatkan konduktansi perangkat. Dalam keadaan awal atau keadaan off (Gambar 17b), lapis atas yang didoping In berada dalam mode LRS sementara lapis bawah berada dalam mode HRS. Dengan menerapkan tegangan ambang, spesies ion bermigrasi ke lapis isolator bawah yang mengarah pada pembentukan filamen dan jalur konduktif (Gambar 17c) dan kemudian perangkat mencapai keadaan on nya (Set 1). Pada tegangan positif yang lebih tinggi, spesies ion dalam lapis atas (pasti ion In) dihabiskan (Gambar 17d) dan lagi perangkat akan mencapai keadaan off nya (Reset 2) dan menunjukkan perilaku HRS. Fenomena yang sama diharapkan terjadi pada bias negatif di mana keadaan on pertama (Gambar 17e) memindahkan memristor ke LRS baru, diikuti oleh keadaan off lain setelah pengosongan spesies ion (Gambar 17f). Keberagaman perilaku CRS dari semua sampel diuji berkali-kali dan perilaku yang sama diamati.

Sinapse Optik Buatan Berbasis Semikonduktor 2D

Operasi otak manusia sangat hemat energi. Penyimpanan dan pemrosesan data berfungsi di otak dengan konsumsi energi yang seend mungkin. Konsumsi energi ultra-rendah ini terinspirasi oleh fungsionalitas sistem saraf biologis. Berdasarkan kinerja otak, tipe baru dari sistem komputasi dan pemrosesan diajukan oleh Alan Turing pada tahun 1948, ketika ia memperkenalkan ide menggunakan perangkat komputasi dengan jaringan sinap buatan yang saling terhubung [175]. Diperkirakan bahwa jaringan interkoneksi sinapse buatan dapat secara efektif menyelesaikan dan mengatasi keterbatasan komputasi van Neumann tradisional. Sinapse biologis, sebagai salah satu anggota utama dari sistem saraf, adalah saluran informasi yang memastikan komputasi jangka pendek, pembelajaran jangka panjang dan pemorian dengan menyesuaikan bobot sinapse [176]. Sebagai struktur biologis, sinapse kimia adalah koneksi bertengah antara dua neuron di mana komunikasi antara dua akson individu diciptakan oleh reaksi biokimia. Sinapse adalah juncian biologis di mana gelombang elektrokimia (potensi aksi) ditransmisikan melalui akson neuron. Konsumsi energi dari peristiwa sinapsis biologis secara nyata lebih rendah dari pada perangkat serupa lainnya. Secara analog, sinapse buatan adalah unit yang meniru perilaku dan kinerja juncian sinapsis biologis untuk mentransfer sinyal sinapse. Dari sudut pandang teknis, memristor adalah kandidat terbaik yang mampu meniru dengan sukses karakteristik dari sinapse biologis [177]. Mekanisme switching resistif adalah prinsip dasar dari memristor. Insulator berpasang atau oksida logam transisi antara dua elektroda konduktif adalah struktur tipikal dari perangkat sinaptik buatan. Properti sinaptik diamati dalam berbagai materi dengan mekanisme resistif dan sinaptik yang berbeda. Faktanya, keragaman materi dengan karakteristik sinaptik mengalami progresi yang cepat, dan oleh karena itu pemahaman fundamental tentang mekanisme sinaptik terkait saat ini sedang berkembang. Memori akses acak resistif oksida logam (RRAMs) (seperti TiO₂, AlO_x, HfO_x, WO_x, TaO_x), sinapse jembatan konduktif (elektroda berbasis Ag- dan Cu), sinapse materi perubahan fase (PC synapse), sinapse materi ferroelektrik, sinapse magnetoresistif (MR)-based, sinapse nanoribbon karbon, dan sinapse terstruktur nano organik adalah beberapa materi memristor aktif yang menunjukkan karakteristik sinaptik yang menarik [177]. Perangkat sinaptik yang diulang optik baru diperkenalkan dalam teknologi telekomunikasi. Dalam sinapse optik, pulsa cahaya optik memicu pembentukan pembawa muatan antara dua elektroda konduktif. Pembawa muatan yang dihasilkan foto dalam film MoS₂ 2D yang tipis atom memungkinkan modulasi bobot sinapse dengan pulsa fotonik. Kemampuan optik dari sinapse buatan ini sangat penting karena memanfaatkan kemungkinan protokol komunikasi optik bandwidth tinggi. Skema unit sinaptik berbasis 2D MoS₂ digambarkan pada Gambar 18a [178]. Sebagai hak istimewa utama, integrasi pulsa optik dan listrik memenuhi berbagai mekanisme penangkap muatan untuk modulasi yang tepat dari bobot sinapse. Selain itu, instrumen mampu neuromodulasi untuk mencapai properti plastisitas dan meta-plastisitas melalui kontrol dinamis plastisitas bergantung pada waktu spike (teori Hebbian). Skema rangkaian analog ditunjukkan pada Gambar 18b yang menggambarkan interaksi antara plastisitas Hebbian dan homeostatik. Interaksi antara plastisitas sinaptik Hebbian dan homeostatik dalam sinapse MoS₂ disediakan pada Gambar 18c–e, masing-masing. Kekuatan potensiasi jangka panjang dicapai dengan penggunaan pulsa pelatihan voltaik berurutan dalam instrumen sinaptik. Terjadi bahwa bobot sinapse meningkat linier dengan meningkatnya jumlah pulsa pelatihan. Juga ditunjukkan bahwa aplikasi 100 pulsa pelatihan mengakibatkan perubahan bobot sinapse hingga 117% dalam mode elektronik, sementara jumlah yang sama dari pulsa pelatihan dalam mode ionotronic mengakibatkan peningkatan bobot hingga 223%. (Gambar 18c, d) [178]. Dalam unit sinaptik yang diulang optik, potensiasi jangka panjang yang kuat diamati dalam sinapse buatan 2D MoS₂ melalui penggunaan fungsi gate optik (mode Photoactive). Pulsa cahaya (λ = 445 nm) berperan sebagai sinyal presinaptik. Setelah iluminasi pada permukaan sinapse 2D MoS₂, konduktansi meningkat cepat dan kemudian berlanjut hingga saturasi bertahap ketika konduktansi satu orde besar di atas nilai arus gelap. Penurunan cepat konduktansi terjadi pada penghentian sumber iluminasi optik, tetapi konduktansi masih tetap pada nilai yang tinggi (Gambar 18e). Transisi band-to-band diharapkan menjadi alasan utama untuk transisi cepat, sementara nilai konduktansi yang bertahan lama dalam mode optoelektronik diatribusikan pada rekombinasi lambat yang berpusat pada cacat atau jebakan dari elektron/lubang yang dihasilkan. Observasi ini sesuai dengan model yang diusulkan dari fluktuasi potensi lokal acak (RLFP). Keadaan ini disebut konduktivitas persisten [178]. Dengan peningkatan pulsa optik dan jumlah foton yang lebih tinggi, waktu decay menjadi lebih lambat. Ini sesuai dengan model RLPF di mana jumlah pembawa muatan yang lebih tinggi menempati situs dari minimum potensi lokal, dan oleh karena itu, laju rekombinasi elektron/lubang akan lebih lambat. Manifestasi yang jelas dari fenomena ini adalah degradasi yang lebih lambat dari arus foto di perangkat sinaptik.

Sinapse optik dua terminal berdasarkan film ultra-tipis TiO₂ yang didoping In juga dibuat untuk emulasi fungsionalitas sinaptik [174]. Ion In didoping ke dalam film TiO₂ tebal ~7,0 nm yang ditetapkan oleh teknik ALD. Terjadi bahwa doping ion mempengaruhi mekanisme RS dan juga memperpanjang tepi absorpsi optik film 2D TiO₂ ultra-tipis ke rentang cahaya terlihat. Diukur bahwa tegangan set dari perangkat sinaptik berbasis TiO₂ bergeser ke tegangan yang lebih rendah setelah stimulasi optik dari memristor TiO₂ yang didoping In. Observasi ini (Gambar 19a) mengonfirmasi dampak elektron/lubang yang dihasilkan foto pada penempatan situs jebakan dalam film TiO₂ amorf dan akibatnya mengakibatkan penurunan tegangan set (Gambar 19b) dan peningkatan konduktansi memristor (Gambar 19b). Selain itu, peningkatan intensitas cahaya sedikit mempengaruhi tegangan set dari memristor, yang merupakan indikasi dari keadaan saturasi dalam jumlah pembawa muatan yang dihasilkan foto. Oleh karena itu, ia tidak memungkinkan perangkat untuk mencapai nilai V_Set yang lebih rendah. Emulasi karakteristik sinaptik optik diverifikasi oleh observasi arus postsinaptik yang tidak istirahat yang disebabkan oleh satu pulsa optik (Gambar 19c). Nilai sinapse PPF ditunjukkan oleh dua spike EPSC berturut-turut dengan interval pulsa 0,3 s (Gambar 19d). Penurunan cepat indeks PPF dari perangkat [rasio amplitudo EPSC ke-2 (A₂) terhadap EPSC ke-1 (A₁)] ditemukan setelah peningkatan interval pulsa. Ini menunjukkan sensitivitas plastisitas jangka pendek dari sinapse optik terhadap urutan pulsa optik (Gambar 19e). Konsumsi energi yang dihitung dari perangkat sinaptik optik TiO₂ yang didoping In untuk satu pulsa diperkirakan sekitar 2,41 pJ (sinyal optik pulsed dengan durasi 10 ms) (Gambar 19e). Terjadi bahwa konsumsi energi sinapse optik TiO₂ ultra-tipis yang didoping In sangat efisien [174]. Selain itu, ketika pulsa laser berturut-turut dengan frekuensi yang berbeda digunakan, transisi dari STP ke LTP diemulasi oleh unit sinaptik optik yang sama (Gambar 19f). Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa stimulus optik dengan interval pulsa yang lebih rendah bermanfaat untuk memfasilitasi kemampuan LTP. Observasi juga mengonfirmasi bahwa interval pulsa yang lebih pendek menghasilkan nilai gain yang lebih tinggi konsisten dengan efek pembawa muatan sisa pada pulsa berikutnya [174]. Saturasi EPSC dan konduktansi juga terdeteksi dan diamati selama studi perilaku sinaptik dari sinapse buatan. Fenomena ini diatribusikan pada saturasi elektron/lubang yang dihasilkan foto. Juga ditunjukkan bahwa instrumen mampu untuk emulasi switching analog dua arah.

Nosiseptor Optik Buatan Berbasis Semikonduktor 2D

Meniru fungsionalitas otak manusia dengan menggunakan teknologi berbasis neuromorfik adalah pencapaian yang cukup penting menuju pengembangan instrumen elektronik buatan terinspirasi bio [52]. Emulasi sistem indra manusia dan fungsionalitas sensorimotor adalah hambatan yang signifikan dalam studi biomimetik. Pemrosesan visual dilakukan oleh fitur luar biasa dari mata manusia (Gambar 20a) [52]. Mata, sebagai detektor dan pemroses visual alami terdiri dari sejumlah besar reseptor dan nosiseptor (Gambar 20b–d). Faktanya, nosiseptor adalah reseptor indra kunci yang mengenali stimulus berbahaya, yang pada gilirannya menghasilkan dan menyampaikan sinyal peringatan ke sistem saraf pusat. Kornea memiliki jumlah nosiseptor tertinggi dalam mata manusia dan mayoritas nosiseptor kornea adalah polimodal. Melihat sistem saraf, sinapse biologis adalah dasar fundamental dari sistem sensorimotor yang memfasilitasi berbagai fungsionalitas termasuk transfer sinyal nyeri dalam sistem saraf (Gambar 20e). Perangkat nosiseptif buatan analog dengan fungsionalitas sinaptik yang serupa terdiri dari film ultra-tipis semikonduktor yang ditempelkan antara dua lapis konduktif (Gambar 20f).

Nosiseptor optik buatan dibangun pada heterostruktur oksida semua amorf ultra-tipis dengan transportasi ionik, karakteristik listrik anisotropi dan transparansi ultim. Film heterostruktur 2D Ga₂O₃/TiO₂ dibuat untuk membuat perangkat nosiseptor optik [179]. Untuk mengubah antarmuka hetero antara elektroda Au dan film semikonduktor optik TiO₂, film 2D Ga₂O₃ dipanaskan dalam atmosfer N₂. Penggabungan yang berhasil dari atom N₂ ke dalam film Ga₂O₃ ultra-tipis diiringi oleh transformasi fase Ga₂O₃ ke fase yang lebih konduktif. Pengukuran spektroskopi Raman menunjukkan puncak karakteristik ikatan Ga-N setelah proses panas dalam atmosfer N₂ [179]. Film Ga₂O₃ masih dalam tingkat transparansi yang tinggi (hingga 90%) [179]. Dari spektral PL, ditemukan bahwa bandgap dari WO₃ 2D sekitar 2,88 eV. Spektral PL juga menunjukkan modifikasi yang signifikan dari bandgap setelah RTA dari film 2D Ga₂O₃ dalam atmosfer N₂. Bandgap dari film Ga₂O₃ tebal 5 nm bergeser dari 4,1 eV menjadi 3,46 eV untuk film Ga₂O₃ yang didoping N₂. Terjadi bahwa kosong oksigen diganti oleh atom nitrogen dalam struktur nano Ga₂O₃. Rekayasa antarmuka hetero dari 2D Ga₂O₃ (N₂)/TiO₂ mengubah mekanisme switching resistif dari film memristor terstruktur hetero 2D [179]. Perilaku self-rectifying diamati selama pengukuran perilaku resistif optik dari film terstruktur hetero. Studi menunjukkan bagaimana penggabungan N₂ telah secara signifikan mengubah perataan band energi pada antarmuka hetero Ga₂O₃/TiO₂ [179]. Jadi, mekanisme transfer muatan pada antarmuka hetero Ga₂O₃:TiO₂ dan Ga₂O₃ (N₂)/TiO₂ diharapkan berbeda. Perilaku switching resistif bipolar diamati selama tes I–V siklus dari perangkat Au/Ga₂O₃–TiO₂/ITO di bawah iluminasi cahaya terlihat. Rasio HRS/LRS yang dapat disesuaikan dan karakteristik pembukaan loop adalah hak istimewa utama dari memristor optik Au/Ga₂O₃/TiO₂/ITO di bawah iluminasi cahaya terlihat. Perangkat terstruktur hetero Ga₂O₃ (N₂-600 °C)/TiO₂ telah mengalami perilaku rectifikasi yang kuat yang merupakan karakteristik dari pengembangan antarmuka hetero tipe-II [52, 179, 180]. Jadi karakteristik utama dari perangkat ini adalah arus memristif ultra-rendah skala nano, yang menunjukkan kemampuan unit ini untuk pembuatan instrumen switching resistif self-rectifying dengan konsumsi energi rendah. Perilaku nosiseptif diamati selama studi reaksi dari Au–Ga₂O₃/TiO₂–ITO dan Au–Ga₂O₃ (N₂-600 °C)/TiO₂-ITO. Waktu ignasi (t₀) dan waktu saturasi (t_s) dari nosiseptor berbasis Ga₂O₃ (N₂)/TiO₂ ditunjukkan pada Gambar 21a [179]. Fenomena relaksasi adalah karakteristik lain dari nosiseptor, yang diamati dalam heterostruktur berbasis Ga₂O₃ (N₂)/TiO₂ (Gambar 21b). Setelah ignasi nosiseptor waktu terakhir untuk pengambilan nosiseptor ke keadaan off disebut waktu relaksasi. Perilaku ini mirip dengan karakteristik non-adaptasi dari nosiseptor manusia, ketika sinyal peringatan yang dihasilkan melindungi organ manusia dari paparan lebih lanjut terhadap stimulus berbahaya yang tidak perlu [180, 181]. Juga ditemukan bahwa waktu relaksasi adalah fungsi dari frekuensi cahaya pulsed. Keadaan abnormal adalah kondisi ketika komponen nosiseptor mengalami sinyal stimulasi yang lebih kuat dari ambang alaminya. Dalam keadaan abnormal nosiseptor berfungsi mirip dengan sistem reseptor. Gambar 21c menunjukkan perbedaan antara reaksi optoresponsif dari nosiseptor abnormal dan normal. Ini menggambarkan bagaimana nosiseptor yang rusak menunjukkan reaksi terhadap cahaya terlihat konstan. Allodynia dan hyperalgesia adalah karakteristik individu dari nosiseptor yang rusak dalam keadaan abnormal. Respons nosiseptor terus meningkat dan perangkat tidak mengikuti mode non-adaptasi ketika intensitas cahaya ditingkatkan (Gambar 21d) setelah 5 menit iluminasi, yang merupakan perilaku karakteristik dari nosiseptor dalam keadaan abnormal [179]. Secara umum, ditemukan bahwa rekayasa nano dan fungsionalisasi antarmuka hetero semikonduktor memfasilitasi pembuatan gadget reseptor dan nosiseptor pintar terinspirasi bio dengan karakteristik self-adapting.

Kesimpulan

Tinjauan saat ini telah menguraikan perkembangan terbaru dalam pengembangan nanomaterial semikonduktor 2D skala wafer untuk perangkat praktis yang dibuat dengan teknik CVD dan ALD. Setiap teknik ini memiliki fitur unik, kelebihan, kompleksitas, arsitektur dan daya tariknya masing-masing. Meskipun kemajuan cepat dalam teknik deposisi materi 2D masih wajar untuk dikatakan bahwa bidang ini masih berada dalam tahap progresi. Peluang fungsional yang sepenuhnya baru dapat diinisiasi dan diluncurkan jika generasi berikutnya dari instrumen fungsional canggih akan didasarkan pada semikonduktor 2D. Secara khusus, kinerja luar biasa dari perangkat ini dapat dicapai melalui stacking berlapis 2D terstruktur nano yang kombinatorial. Mengingat setiap material 2D memiliki fungsionalitas yang cukup berbeda, materi multifungsi dapat diciptakan dengan keuntungan besar dalam hal energi dan volume. Diperkirakan bahwa perpustakaan materi dan lembar nano 2D diperlukan untuk diperbarui dan diperbaharui secara teratur. Selain itu, perpustakaan materi 2D diperluas dengan menggunakan metode inovatif untuk sintesis materi 2D dari sumber materi baru.

Selain itu, beberapa kelemahan dari pembuatan materi 2D yang disebut dalam tinjauan dapat diatasi dengan memperoleh pengetahuan lebih lanjut tentang pembentukan nanoantarmuka. Dalam hal ini, tahap nukleasi dan pertumbuhan epitaksial harus dikontrol untuk menghindari atau menyesuaikan lapisan antarmuka dan cacat pada antarmuka serta stres mekanis dan deformasi jaringan yang dapat terjadi dalam heterostruktur vdW. Ketidaksempurnaan stacking ini memiliki efek yang drastis pada properti fisik, dan oleh karena itu harus diatasi untuk implementasi struktur akhir. Selain itu, sudut rotasi relatif antara kedua lapisan secara langsung mempengaruhi deformasi elastis dan oleh karena itu penyesuaiannya memungkinkan penyesuaian properti elektronik dari seluruh struktur. Dalam hal ini, kontrol orientasi stacking dari heterostruktur 2D yang dibuat ALD akan memungkinkan pembuatan materi 2D yang belum pernah dieksplorasi dan menuntun jalur baru untuk pembuatan perangkat elektronik 2D, seperti FET, memristor, sel memori switching resistif dan sistem mikroelektromekanis. Untuk memungkinkan pertumbuhan yang terkontrol dari lapisan 2D ALD berturut-turut, fungsionalisasi permukaan (kimiawi atau fisik) mungkin diperlukan. Meskipun pertumbuhan yang diinduksi vdW akhirnya, kurangnya ikatan di permukaan 2D dapat menghambat deposisi berikutnya. Akibatnya, fungsionalisasi spesifik dapat direalisikan untuk memungkinkan nukleasi ALD sambil mempertahankan properti intrinsik dari materi yang mendasarinya.

Untuk kemajuan lebih lanjut dalam pembuatan ALD berbagai semikonduktor 2D, prekursor ALD baru harus dikembangkan yang memungkinkan ekspansi yang lebih luas dari teknik ALD dalam bidang materi 2D. Dalam hal ini, beberapa materi 2D yang diprediksi, seperti silicene, germanene, fosforen, serta tellurida belum dibuat ALD karena kurangnya prekursor yang cocok. Harus juga disebutkan bahwa meskipun grafen adalah materi 2D yang paling banyak diteliti, ALD-nya masih menantang, proses ALD yang tersedia yang satu menghasilkan kualitas materi yang lebih rendah daripada yang diperoleh menggunakan teknik CVD.

Terakhir, salah satu tantangan utama yang disorot dalam banyak laporan yang dipublikasikan baru-baru ini adalah transisi materi 2D dan heterostruktur mereka ke berbagai aplikasi industri. Saat ini, hanya grafen yang dihasilkan CVD yang berada dalam transisi tersebut. Jadi, seseorang dapat mengira bahwa progresi ALD dan CVD dari materi 2D, khususnya pertumbuhan langsung skala wafer tanpa batas kristal pada perangkat yang dapat diintegrasikan, akan memungkinkan industrialisasi dan komersialisasi yang cepat.