Semiconductor bidimensional

El grafeno, compuesto por láminas individuales de átomos de carbono, posee una alta movilidad electrónica y una alta conductividad térmica . Un problema del grafeno es su falta de banda prohibida , lo que supone una dificultad, en particular para la electrónica digital, ya que no puede desactivar los transistores de efecto de campo (FET). ^{[ 3 ]}

El nitruro de boro hexagonal monocapa (h-BN) es un aislante con una banda prohibida de alta energía (5,97 eV). ^{[ 5 ]} Sin embargo, también puede funcionar como semiconductor con conductividad mejorada debido a sus bordes afilados en zigzag y vacantes. El h-BN se usa frecuentemente como sustrato y barrera debido a su propiedad aislante. El h-BN también tiene una alta conductividad térmica. ^{[ 6 ]}

Las pilas de materiales bidimensionales unidos por fuerzas de van der Waals pueden formar heteroestructuras de van der Waals, en las que cada lámina atómica actúa simultáneamente como volumen e interfaz. La transferencia de carga entre capas, el acoplamiento por proximidad y la reconstrucción de superredes de moiré dan lugar a propiedades emergentes como puntos de Dirac secundarios en grafeno/hBN y una interacción espín-órbita mejorada en grafeno adyacente a dicalcogenuros de metales de transición . ^{[ 7 ]}

Las monocapas de dicalcogenuros de metales de transición (TMD o TMDC) son una clase de materiales bidimensionales que tienen la fórmula química MX₂ _, donde M representa metales de transición de los grupos IV, V y VI, y X representa un calcógeno como azufre, selenio o telurio. [8] MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂ y WSe₂ son TMDC . Los TMDC tienen una estructura ^{laminar con un} plano de _átomos metálicos entre dos _planos de _átomos de calcógeno _{, como se muestra en la Figura 1.} Cada capa está fuertemente unida en el plano, pero débilmente en las intercapas. Por lo tanto, los TMDC se pueden exfoliar fácilmente en capas atómicamente delgadas mediante varios métodos. Los TMDC muestran propiedades ópticas y eléctricas que dependen de la capa. Cuando se exfolian en monocapas, las brechas de banda de varios TMDC cambian de indirectas a directas, ^{[ 9 ]} lo que conduce a amplias aplicaciones en nanoelectrónica, ^{[ 3 ]} optoelectrónica , ^{[ 10 ] [ 11 ]} y computación cuántica . ^{[ 12 ]} Si bien las monocapas de TMDC exfoliadas exhiben propiedades optoelectrónicas prometedoras, a menudo están limitadas por defectos intrínsecos y extrínsecos, ^{[ 13 ]} tales como vacantes de azufre y límites de grano, que pueden afectar negativamente su rendimiento. Para abordar estos problemas, se han desarrollado varias técnicas de pasivación química, incluido el uso de superácidos y moléculas de tiol , ^{[ 14 ]} para mejorar sus propiedades de fotoluminiscencia y transporte de carga. Además, la ingeniería de fase ^{[ 15 ]} y de deformación ^{[ 16 ]} han surgido como estrategias poderosas para optimizar aún más las características electrónicas de los TMDC, haciéndolos más adecuados para aplicaciones avanzadas en nanoelectrónica y computación cuántica.

Otra clase de semiconductores 2D son los calcogenuros III-VI. Estos materiales tienen la fórmula química MX, donde M es un metal del grupo 13 ( Ga , In ) y X es un átomo de calcógeno ( S , Se , Te ). Los miembros típicos de este grupo son InSe y GaSe , los cuales han demostrado altas movilidades electrónicas y brechas de banda adecuadas para una amplia gama de aplicaciones electrónicas. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Con un módulo de Young de casi 1 TPa, ^{[ 31 ]} el grafeno posee una increíble tenacidad debido a la fuerza del enlace carbono-carbono. Sin embargo, el grafeno tiene una tenacidad a la fractura de aproximadamente 4 MPa/m, lo que lo hace frágil y propenso a agrietarse. ^{[ 32 ]} Posteriormente, el mismo grupo que descubrió su tenacidad a la fractura demostró que el grafeno posee una increíble capacidad de distribución de fuerza, aproximadamente diez veces superior a la del acero. ^{[ 33 ]}

El nitruro de boro monocapa tiene una resistencia a la fractura y un módulo de Young de 70,5 GPa y 0,865 TPa, respectivamente. El nitruro de boro también mantiene su alto módulo de Young y resistencia a la fractura al aumentar su espesor. ^{[ 34 ]}

Los dicalcogenuros de metales de transición 2D se utilizan a menudo en aplicaciones como la electrónica flexible y elástica, donde la comprensión de sus propiedades mecánicas y el impacto operativo de los cambios mecánicos en los materiales es fundamental para el rendimiento del dispositivo. Bajo tensión, los TMD cambian su estructura de banda prohibida electrónica tanto en el caso de monocapa de banda prohibida directa como en el de pocas capas de banda prohibida indirecta, lo que indica que la tensión aplicada es un parámetro ajustable. ^{[ 35 ]} El MoS ₂ monocapa tiene un módulo de Young de 270 GPa y una tensión máxima del 10 % antes del límite elástico. ^{[ 36 ]} En comparación, el MoS2 bicapa tiene un módulo de Young de 200 GPa atribuido al deslizamiento entre capas. ^{[ 36 ]} A medida que aumenta el número de capas, el deslizamiento entre capas se ve superado por la rigidez a la flexión con un módulo de Young de 330 GPa. ^{[ 37 ]}

Los trabajos teóricos han predicho el control de la hibridación de los bordes de banda en algunas heteroestructuras de van der Waals mediante campos eléctricos y han propuesto su uso en dispositivos de bits cuánticos, considerando la heterocapa _{doble ZrSe₂} /SnSe₂ como ejemplo. ^{[ 12 ]} Trabajos experimentales posteriores han confirmado estas predicciones para el caso de la heterocapa _doble MoS₂ / _WS₂ . ^{[ 40 ]}

Los materiales magnéticos bidimensionales en capas son bloques de construcción atractivos para los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS): si bien comparten con otros materiales bidimensionales una alta rigidez y resistencia, y una baja masa, son magnéticamente activos. Entre la amplia clase de materiales magnéticos bidimensionales en capas de reciente aparición, resulta de particular interés el CrI3 de pocas capas, cuyo estado fundamental magnético consiste en monocapas ferromagnéticas (FM) acopladas antiferromagnéticamente con un eje fácil fuera del plano. La interacción de intercambio entre capas es relativamente débil; un campo magnético del orden de 0,5 T en la dirección fuera del plano (𝒛) puede inducir una transición de inversión de espín en el CrI3 bicapa. Recientemente se han demostrado fenómenos notables y conceptos de dispositivos basados ​​en la detección y el control del estado magnético entre capas, incluyendo la magnetoresistencia gigante de filtro de espín, la conmutación magnética mediante campo eléctrico o dopaje electrostático , y transistores de espín. Sin embargo, el acoplamiento entre las propiedades magnéticas y mecánicas en materiales de espesor atómico, base de los NEMS magnéticos 2D, sigue siendo difícil de alcanzar, aunque se han estudiado NEMS fabricados con materiales magnéticos más gruesos o recubiertos con metales ferromagnéticos.