Materali calcogenuri per l’energia

Le proprietà dei materiali calcogenuri sono di interesse per l’accumulo ed il risparmio di energia perchè hanno un’elevato assorbimento dei fotoni e di immagazzinamento di carica. Quando sono su scala 1D o 2D queste proprietà sono ottimmizate e migliorate dall’elevato rapporto superficie(volume). Le applicazioni attese spaziano dal fotovoltaico, alle celle a combustibile, all’accumulo di idrogeno ed a dispositivi termoelettrici per il recupero dell’energia.

Descrizione

Materiali calcogenuri 2D Chalcogenides per il risparmio energetico

MoS₂ e la classe dei materiali dicalcogenuri di transizione (TMDs) sono una promettente piattaforma nanotecnologica bi-dimensionale di assoluto interesse per una vastità di applicazioni in elettronica ultrascalata, elettronica a bassa potenza. Optoelettronica, plasmonica, fotovoltaico, sensori bio-chimici, ctalisi, energia eimmagazzinamento di idrogeno. Una delle sfide principali per questi cristalli 2D è lo sviluppo di nuovi metodi per la produzione su larga area e con spessore controllato. Questo obiettivo è conseguito tramite un approccio che utilizza metodi di deposizione chimica da fase vapore a partire da precursori del metallo di transizione in forma di film o polveri allo stato solido e la realizzazione di transistori ad effetto di campo tramite litografia da fascio elettronico per la misura delle caratteristiche elettriche, per esempio il rapporto on/off o la mobilità dei portatori di carica.

In questo progetto abbiamo cresciuto con successo singoli strati atomici di MoS₂ con domini mono cristallini aventi dimensioni laterali fino a 6500 μm² ed un ricoprimento superficiale superior al 95% su un area di decine di mm²,come dimostrato tramite spettroscopia Raman e micorscopia elettronica a scansione. Questo è il punto di partenza per lo sviluppo di eterostrutture di van der Waald a più strati di TMDs, anche accoppiati con grafene o altri materiali 2D monoelementali post-grafenici, come per esempio il silicene.

Materiali calcogenuri per il termoelettrico

Calcogenuri basati su Sb e Bi (per esempio Sb₂Te₃, Bi₂Te₃, Bi₂Se₃) mostrano differenti proprietà particolarmente di interesse per il loro impiego per applicazioni termoelettriche, conversione di energia, memorie a cambiamento di fase e, più di recenet, isolanti topologici. Un’intensa attività di ricerca è stata effettuata per esplorare la loro applicabilità come materiali termoelettrici in applicazioni a temperatura ambiente. Queste proprietà possono essere migliorate o modificate riducendo la dimensione dei materiali calcogenuri, cioè scalandoli dalla macro- alla nano-scala. L’uso di MOCVD per la sintesi di questi materiali offre un elevato controllo del processo di crescita, una deposizione su larga scale e una facile trasferibilità industriale. Film sottili di Sb₂Te₃ cresciuti su substrati di Si/SiO₂ fino a 30 nm di spessore e con rugosità di of 4 nm on 4” wafers cresciuti per MOCVD sono stato misurati nelle loro proprietà termoelettriche. Le sfide furute si focalizzeranno sulla deposizione di materiali termoelettrici basati sul Bismuto.

Campo di applicazione

L’elevata conducibilità del grafene, unita alla sua flessibilità e alla sua natura bidimensionale fanno sì che questo materiale possa immagazzinare cariche elettriche, ioni, o idrogeno in modo ottimale. Il rapporto fra la superficie utile allo stoccaggio di questi vettori energetici e la massa di materiale necessaria è infatti estremamente favorevole: ogni grammo di materiale fornisce circa 2600 metri quadrati di superficie utile. E prestazioni analoghe si stanno rivelando possibili anche con anche altre strutture cristalline bidimensionali, come quelle ottenute da calcogenuri di metalli di transizione (TMD) e ossidi di metalli di transizione. Cristalli bidimensionali permettono inoltre la progettazione e la creazione di strutture artificiali con proprietà "on-demand", dato che è possibile produrle accoppiando strati bidimensionali differenti, ciascuno dotato di specifiche caratteristiche.In questo modo, è possibile abbinare �“ per esempio - l’elevata capacità di assorbimento dei fotoni di alcuni materiali TMD con la capacità di trasporto di carica del grafene e produrre dispositivi fotovoltaici, celle a combustibile o batterie particolarmente efficienti.

Prestazioni

Nell’ambito dei materiali 2D TMD, MoS₂ è tuttora il materiale più estesamente studiato e quello che ha raggiunto un livello di conoscenza tale da renderlo facilmente trasferibile su un processo tecnologico industriale. Per questo motivo, qui considereremo alcune delle prestazioni raggiunte da dispositivi basati sull’integrazione di MoS₂ bidimensionale. Transistori ad effetto di campo (FETs) basati su MoS₂ hanno mostrato soddisfacenti valori della mobilità dei portatori ed elevato rapporto on/off a temperatura ambiente e possono perciò essere impiegati come tassello nella costruzione della circuiteria elettronica, per esempio nell’amplificazione o nella circuiteria logica. Inoltre, MoS₂ ha anche un grande potenziale per le applicazioni optoelettroniche, in particolare nei fotorivelatori, componenti essenziali in varie technologie in uso nella vita quotidiana per la rilevazione ad immagini, la sensoristica a distanza, le comunicazioni ottiche. Nel 2012, i primi fototransistors basati su un singolo strato o un multistrato di MoS₂ hanno dato valori record di responsività pari a 7.5 mA/W (monostrato) e più di 100 mA/W (multistrato). Nel 2013, Lopez-Sanchez et al. hanno ottenuto un fototransistor con un monostrato di MoS₂ con una responsività di 880 A/W. Nel 2018, Lee et al. hanno pubblicato uno studio sulla fabbricazione di un fototransistor basato su multistrati di MoS₂ con elettrodi di source/drain in grafene. Il fototransistor così prodotto ha mostrato una risposta fotonica nell’intervallo di lunghezze d’onda 400-700 nm con una responsività di oltre 1 × 10⁴ A/W. Inoltre, per una applicazione optoelettronica più sofisticata rispetto al singolo dispositivo, li fototransistor è stato integrato in un fotoinvertitore (porta logica NOT) connesso a un resistore esterno, mostrando in maniera evidente caratteristiche fotoindotte statiche e dinamiche. Inoltre, è stato sviluppato un prototipo di uno schermo per il visibile in luce verde che utilizza il fotoinvertitore basato su MoS₂ per la generazione dei pixel dell’immagine, un chiaro esempio degli recenti sviluppi per l’ottenimento di sistemi optoelettronici basati sui semiconduttori 2D. Nell’ambito dei materiali termoelettrici, la figura di merito nota con la sigla ZT, è di 0.87 e 0.95 rispettivamente per monostrati di ZrSe₂ and HfSe₂ a 300 K. Recenetemente Akinola D Oyedele et al. hanno mostrato che pochi-strati di PdSe₂ mostrano una conduzione ambipolare con una elevata mobilità ad effetto di campo apparente per gli elettroni di ~158 cm² V^�’1 s^�’1. Inoltre, fiocchi increspati bidimensionali di PdSe₂ mostrano un bad gap tunabile da metallico (nel materiale 3D) fino a ~1.3 eV (monostrato). Sullo stesso composto, Qin et al. hanno eseguito calcoli basati sulla “density functional theory” sul singolo monostrato si PdSe₂ confermando la sua natura di semiconduttore indiretto, con un valore di band gap di 1.38 eV. Sulla base delle proprtietà elettroniche e fononiche, le proprietà termoelettriche del monostrato di PdSe₂ hanno mostrato un valore di ZT di 1.1 a 300 K. Infine, lo stesso studio ha mostarto il carattere anisotropico della conduttività elettrica e della conduttività termica, che sono la coseguenza dell struttura asimmetrica del monostrato di PdSe₂ nel piano, una situazione comune adiversi 2D TMDs.

Bibliografia

Lee et al., High-Performance 2D MoS₂ Phototransistor for Photo Logic Gate and Image Sensor, ACS Photonics 5, 4745-4750 (2018)

Qin et al., Monolayer PdSe₂: A promising two-dimensional thermoelectric material, Sci Rep. 8, 2764 (2018)