Un semiconductor bidimensional (también conocido como semiconductor 2D ) es un tipo de semiconductor natural con espesores a escala atómica. Geim y Novoselov et al. iniciaron el campo en 2004 cuando informaron sobre un nuevo material semiconductor, el grafeno , una monocapa plana de átomos de carbono dispuestos en una red de panal 2D . [1] Un semiconductor monocapa 2D es significativo porque exhibe un acoplamiento piezoeléctrico más fuerte que las formas a granel empleadas tradicionalmente. Este acoplamiento podría habilitar aplicaciones. [2] Un enfoque de investigación es el diseño de componentes nanoelectrónicos mediante el uso de grafeno como conductor eléctrico., nitruro de boro hexagonal como aislante eléctrico y un dicalcogenuro de metal de transición como semiconductor . [3] [4]
El grafeno, que consta de láminas individuales de átomos de carbono, tiene una alta movilidad de electrones y una alta conductividad térmica . Un problema con respecto al grafeno es su falta de banda prohibida , lo que plantea un problema en particular con la electrónica digital porque no puede apagar los transistores de efecto de campo (FET). [3] Las nanoláminas de otros elementos del grupo IV (Si, Ge y Sn) presentan propiedades estructurales y electrónicas similares al grafeno. [5]
El nitruro de boro hexagonal monocapa (h-BN) es un aislante con un alto desfase de energía (5,97 eV). [6] Sin embargo, también puede funcionar como un semiconductor con conductividad mejorada debido a sus bordes afilados en zigzag y vacantes. h-BN se utiliza a menudo como sustrato y barrera debido a su propiedad aislante. h-BN también tiene una gran conductividad térmica.
Las monocapas de dicalcogenuro de metales de transición (TMD o TMDC) son una clase de materiales bidimensionales que tienen la fórmula química MX 2 , donde M representa metales de transición del grupo VI, V y VI, y X representa un calcógeno como azufre , selenio o telurio _ [7] MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 y WSe 2son TMDC. Los TMDC tienen una estructura en capas con un plano de átomos metálicos entre dos planos de átomos de calcógeno, como se muestra en la Figura 1. Cada capa está unida fuertemente en el plano, pero débilmente en las capas intermedias. Por lo tanto, los TMDC se pueden exfoliar fácilmente en capas atómicamente delgadas a través de varios métodos. Los TMDC muestran propiedades ópticas y eléctricas dependientes de la capa. Cuando se exfolian en monocapas, los intervalos de banda de varios TMDC cambian de indirectos a directos, [8] lo que conduce a amplias aplicaciones en nanoelectrónica, [3] optoelectrónica, [9] [10] y computación cuántica . [11]
Otra clase de semiconductores 2D son los calcogenuros III-IV. 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 mostrado altas movilidades electrónicas y bandas prohibidas adecuadas para una amplia gama de aplicaciones electrónicas. [12] [13]
Los materiales semiconductores 2D a menudo se sintetizan mediante un método de deposición química de vapor (CVD). Debido a que CVD puede proporcionar un crecimiento en capas bien controlado, de alta calidad y de gran área de materiales semiconductores 2D, también permite la síntesis de heterouniones bidimensionales . [14] Cuando se construyen dispositivos apilando diferentes materiales 2D, a menudo se usa la exfoliación mecánica seguida de la transferencia. [4] [7] Otros posibles métodos de síntesis incluyen la exfoliación química, la síntesis hidrotermal y la descomposición térmica .. En 2008, las plaquetas cuasi 2D de seleniuro de cadmio CdSe se sintetizaron por primera vez mediante un método coloidal con espesores de varias capas atómicas y tamaños laterales de hasta decenas de nanómetros. [15] La modificación del procedimiento permitió obtener otras nanopartículas con diferentes composiciones (como CdTe, [16] HgSe, [17] aleaciones CdSe x S 1−x , [18] núcleo/cubierta [19] y núcleo/corona [20 ] heteroestructuras) y formas (como volutas, [21] nanocintas, [22] etc.).