Germanane based nanomaterials
Authors: Γιούσης Θεοδόσης 
Published: May 2023

Τα δισδιάστατα (2D) υλικά είναι μια κατηγορία υλικών που αποτελούνται από ένα μονόστρωμα ατόμων διατεταγμένα σε μια δισ-διάστατη πλεγματική δομή. Αυτά τα υλικά κατέχουν μοναδικές ηλε-κτρονικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες, οι οποίες τα καθιστούν ελκυστικά για πληθώρα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των ηλε-κτρονικών, της ενέργειας και της ιατρικής. Το γερμανάνιο είναι ένα πρόσφατα ανακαλυφθέν δισδιάστατο υλικό, το οποίο αποτελείται από ένα ενιαίο στρώμα ατόμων γερμανίου, διατεταγμένα σε μια κυψελοειδή πλεγματική δομή, παρόμοια με αυτή του γραφενίου. Οι μοναδικές ιδιότητές του το καθιστούν ελκυστικό για ποικίλες εφαρμογές. Ένα βασικό χαρακτηριστικό του γερμανανίου είναι η ημιαγώγιμη φύση του, με αποτέλεσμα να είναι χρήσιμο στην κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών όπως τρανζίστορ, φωτοανιχνευτές και ηλιακά κύτταρα. Η υψηλή κινητικότητα φορέων, που χαρακτηρίζει το γερμανάνιο, δίνει τη δυνατότητα στα ηλεκτρόνια να μπορούν να μετακινηθούν εύκολα μέσω του υλικού, καθιστώντας το αποτελεσματικό για χρήση σε ηλεκτρονικές εφαρμόγες. Εκτός από τις ηλεκτρονικές του ιδιότητες, το γερμανάνιο παρουσιάζει επίσης εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής αντοχής στον εφελκυσμό και σε ευκαμψία, που το καθιστούν καλό υποψήφιο για χρήση σε εύκαμπτα ηλεκτρονικά και άλλες εφαρμογές που απαιτούν υψηλό βαθμό ανθεκτικότητας. Είναι επίσης προικισμένο με ειδικές οπτικές ιδιότητες, καθώς κατέχει άμεσο ενεργειακό χάσμα, το οποίο σημαίνει ότι μπορεί να εκπέμψει φως αποτελεσματικά, καθιστώντας το ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για χρήση στην οπτοηλεκτρονική και στις διόδους εκπομπής φωτός (LED).Η εν λόγω διατριβή συνοψίζει τη συμβολή στην ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων σύνθεσης για την παρασκευή του 2D-γερμανανίου και την χημική τροποποίησή του, την εξερεύνηση των ιδιοτήτων του και τις εν δυνάμει εφαρμογές του. Ξεκινώντας, στο Κεφάλαιο 1 παρατί-θεται μια γενική εισαγωγή στο πεδίο και συνοψίζεται η ανάπτυξη των 2D υλικών γενικά, οι ιδιότητές τους, καθώς και οι διαφορετικές μέθοδοι σύνθεσης που ακολουθήθηκαν για την τροποποίησή τους.Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται ένα νέο, γρήγορο και εύκολο πρωτόκολλο για τη σύνθεση γερμανανίου (GeH), μέσω του οποίου το τελικό προϊόν μπορεί να ληφθεί σε σημαντικά λιγότερο χρόνο (λίγα λεπτά) και με σημαντικά υψηλότερη θερμική σταθερότητα σε σύγκριση με άλλα γερμανάνια που έχουν προκύψει από διαφορετικές προσεγγίσεις που έχουν αναφερθεί έως τώρα στη βιβλιογραφία.Το Κεφάλαιο 3 επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας εύκολης πειραματικής προσέγγισης για την απευθείας χημική τροποποίηση κρυστάλλων γερμανανίου (GeH) σε βουτυλο-γερμανάνιο (GeBuxH(1-x)). Τα δύο αυτά υλικά μελετήθηκαν για τη φωτοκαταλυτική τους επίδοση στον καθαρισμό του νερού από οργανικούς και μη ρύπους, υπό απαιτητικές συνθήκες (1 mg φωτοκαταλύτη ανά g υδατικού διαλύμα-τος που περιέχει 200 ppm ρύπων), κατά τις οποίες τόσο το GeH όσο και το GeBuxH(1-x) επέδειξαν αξιοσημείωτη φωτοκαταλυτική επίδοση στην αποδόμηση της ροδαμίνης Β (RhB) και των φαινολών υπό ακτινοβολία ορατού φωτός, ακόμη και με συγκεντρώσεις ρύπων 10 φορές υψηλότερες από αυτές που αναφέρονται συνήθως στη βιβλιογραφία.Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται για πρώτη φορά η ανάπτυξη ενός νέου νανοσύνθετου υλικού με πολυγαλακτικό οξύ (PLA) ως πολυμερική μήτρα και νανοφύλλιδια γερμανάνιου ως πληρωτικό μέσο σε διάφορες συγκεντρώσεις. Μελετήθηκαν τα αποτελέσματα της προσθήκης γερμανανίου στις δομικές, θερμικές και νανομηχανικές ιδιότητες. Ο ρυθμός κρυστάλλωσης και οι νανομηχανικές ιδιότητες του νανοσύνθετου PLA-GeH βελτιώθηκαν με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων γερμανανίου, ενώ η θερμική του σταθερότητα παρέμεινε ανεπηρέαστη. Ακόμα, η προσθήκη γερμανανίου οδήγησε στην εμφάνιση νέων βιολογικών ιδιοτήτων, όπως η αντιοξειδωτική και αντιβακτηριδιακή δράση του τελικού προϊόντος, καθιστώντας το κατάλληλο για μελλοντική χρήση στη βιομηχανία τροφίμων, αλλά και σε βιοϊατρικές ε-φαρμογές.Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 αναφέρεται για πρώτη φορά η επιτυχής χημική ομοιοπολική τροποποίηση του γερμανενίου κάνοντας χρήση της 1, 3-διπολική κυκλοπροσθήκης. Το διπολόφιλο γερμανένιο πα-ρήχθη με θερμική αφυδρογόνωση του πλήρως κορεσμένου μητρικού του προδρόμου, του γερμανανίου. Το παραγόμενο υλικό χαρακτηρί-στηκε εκτενώς με πληθώρα τεχνικών οι οποίες καταδεικνύουν την πολυεπίπεδη δομή, την αποτελεσματική τροποποίηση του, καθώς και τον πολικό χαρακτήρα των τελικών νανοδομών. Η διδακτορική αυτή διατριβή παρέχει νέες ιδέες για τον συντονισμό των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων άλλων Xenes για πιθανές εφαρμογές στα ηλεκτρονικά, την ηλεκτροκατάλυση και τη φωτοκατάλυση. Περαιτέρω χημικές τροποποιήσεις μπορούν εύκολα να σχεδιαστούν, όπως η εισαγωγή φωτοδιεγερτικών ομάδων δέκτη - δότη για μελέτες μεταφοράς φορτίου φωτοεπαγώγης σε φωτοβολταϊκές συσκευές. Αυτή η ευελιξία στη χημεία που είναι δυνατή στις υβριδοποιημένες περιοχές sp2/sp3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χημική τροποποίηση άλλων Xenes της ομάδας-14 με διάφορες οργανικές λειτουργικές ομάδες.Εν κατακλείδι, το γερμανάνιο είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ηλεκτρονική, την οπτοηλεκτρονική και άλλους τομείς λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του. Καθώς οι ερευνητές συνεχίζουν να μελετούν και να αναπτύσσουν το πολλά υποσχόμενο γερμανάνιο, αναμένονται ακόμη πιο συναρπαστικές εφαρμογές του στο μέλλον.