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 ]}

With a Youngs modulus of almost 1 TPa,^[31] graphene boasts incredible toughness due to the strength of the carbon-carbon bonding. Graphene however, has a fracture toughness of about 4 MPa/m, making it brittle and easy to crack .^[32] Graphene was later shown by the same group that discovered its fracture toughness, to have incredible force distribution abilities, with about ten times the ability of steel.^[33]

Monolayer boron nitride has fracture strength and Youngs modulus of 70.5 GPa and 0.865 TPa, respectively. Boron nitride also maintains its high Youngs modulus and fracture strengths with increasing thickness.^[34]

2D transition metal dichalcogenides are often used in applications such as flexible and stretchable electronics, where an understanding of their mechanical properties and the operational impact of mechanical changes to the materials is paramount for device performance. Under strain TMDs change their electronic bandgap structure of both the direct gap monolayer and the indirect gap few layer cases indicating applied strain as a tunable parameter.^[35] Monolayer MoS₂ has a Youngs modulus of 270 GPA and with a maximum strain of 10% before yield.^[36] In comparison, bilayer MoS2 has a Youngs modulus of 200 GPa attributed to interlayer slip.^[36] As layer number is increased further the interlayer slip is overshadowed by the bending rigidity with a Youngs modulus of 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.