Un semiconductor bidimensional (también conocido como semiconductor 2D ) es un tipo de semiconductor natural con espesores en la escala atómica. Geim y Novoselov et al. inició el campo en 2004 cuando informaron sobre un nuevo material semiconductor grafeno , una monocapa plana de átomos de carbono dispuestos en una red de panal de abejas 2D ., [1] Un semiconductor monocapa 2D es importante 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]
Materiales
Grafeno
El grafeno, que consta de hojas 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]
Nitruro de boro hexagonal
El nitruro de boro monocapa hexagonal (h-BN) es un aislante con una brecha de alta energía (5,97 eV). [6] Sin embargo, también puede funcionar como un semiconductor con conductividad mejorada debido a sus bordes afilados en zigzag y sus vacantes. El h-BN se utiliza a menudo como sustrato y barrera debido a su propiedad aislante. h-BN también tiene una gran conductividad térmica.
Dicalcogenuros de metales de transición
Las monocapas de dicalcogenuro de metal 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 2 son 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] .
Síntesis
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 de gran área, alta calidad y bien controlado de materiales semiconductores 2D, también permite la síntesis de heterouniones bidimensionales . [12] Cuando se construyen dispositivos apilando diferentes materiales 2D, a menudo se usa la exfoliación mecánica seguida de transferencia. [4] [7] Otros posibles métodos de síntesis incluyen exfoliación química, síntesis hidrotermal y descomposición térmica .
Aplicaciones propuestas
Algunas aplicaciones incluyen dispositivos electrónicos, [14] dispositivos fotónicos y de recolección de energía, y sustratos flexibles y transparentes. [3] Otras aplicaciones incluyen dispositivos qubit de computación cuántica [11] células solares [15] y electrónica flexible. [7]
Computación cuántica
El trabajo teórico ha predicho el control de la hibridación de los bordes de la banda en algunas heteroestructuras de van der Waals a través de campos eléctricos y ha propuesto su uso en dispositivos de bits cuánticos, considerando la heterobicapa ZrSe 2 / SnSe 2 como ejemplo. [11] El trabajo experimental adicional ha confirmado estas predicciones para el caso de la heterobicapa MoS 2 / WS 2 . [dieciséis]
NEMS magnéticos
Los materiales magnéticos en capas 2D son atractivos bloques de construcción para los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS): si bien comparten alta rigidez y resistencia y baja masa con otros materiales 2D, son magnéticamente activos. Entre la gran clase de materiales magnéticos en capas 2D recién surgidos, de particular interés es el CrI3 de pocas capas, cuyo estado fundamental magnético consiste en monocapas ferromagnéticas (FM) acopladas antiferromagnéticamente con 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 giro de giro en CrI3 bicapa. Recientemente se han demostrado fenómenos notables y conceptos de dispositivos basados en la detección y el control del estado magnético entre capas, que incluyen magnetorresistencia gigante de filtro de espín, conmutación magnética por campo eléctrico o dopaje electrostático y transistores de espín. Sin embargo, el acoplamiento entre las propiedades magnéticas y mecánicas en materiales atómicamente delgados, la base de los NEMS magnéticos 2D, sigue siendo difícil de alcanzar, aunque se han estudiado los NEMS fabricados con materiales magnéticos más gruesos o recubiertos con metales FM.
Referencias
- ^ Novoselov, KS (2004). "Efecto de campo eléctrico en películas de carbono atómicamente delgadas". Ciencia . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat / 0410550 . Código Bibliográfico : 2004Sci ... 306..666N . doi : 10.1126 / science.1102896 . ISSN 0036-8075 . PMID 15499015 .
- ^ Song, Xiufeng; Hu, Jinlian; Zeng, Haibo (2013). "Semiconductores bidimensionales: avances recientes y perspectivas de futuro" . Diario de Química de Materiales C . 1 (17): 2952. doi : 10.1039 / C3TC00710C .
- ^ a b c d Radisavljevic, B .; Radenovic, A .; Brivio, J .; Giacometti, V .; Kis, A. (2011). " Transistores MoS 2 de una capa " . Nanotecnología de la naturaleza . 6 (3): 147–150. Código Bibliográfico : 2011NatNa ... 6..147R . doi : 10.1038 / nnano.2010.279 . PMID 21278752 .
- ^ a b Geim, AK; Grigorieva, IV (2013). "Heteroestructuras de Van der Waals". Naturaleza . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307.6718 . doi : 10.1038 / nature12385 . ISSN 0028-0836 . PMID 23887427 .
- ^ García, JC; de Lima, DB; Assali, LVC; Justo, JF (2011). "Nanohojas de grafeno y similares al grafeno del grupo IV". J. Phys. Chem. C . 115 (27): 13242. arXiv : 1204.2875 . doi : 10.1021 / jp203657w .
- ^ Dean, CR; Young, AF; Meric, I .; Lee, C .; Wang, L .; Sorgenfrei, S .; Watanabe, K .; Taniguchi, T .; Kim, P .; Shepard, KL; Hone, J. (2010). "Sustratos de nitruro de boro para electrónica de grafeno de alta calidad". Nanotecnología de la naturaleza . 5 (10): 722–726. arXiv : 1005.4917 . Código Bibliográfico : 2010NatNa ... 5..722D . doi : 10.1038 / nnano.2010.172 . ISSN 1748-3387 . PMID 20729834 .
- ^ a b c Wang, Qing Hua; Kalantar-Zadeh, Kourosh; Kis, Andras; Coleman, Jonathan N .; Strano, Michael S. (2012). "Electrónica y optoelectrónica de dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales" . Nanotecnología de la naturaleza . 7 (11): 699–712. Código Bibliográfico : 2012NatNa ... 7..699W . doi : 10.1038 / nnano.2012.193 . ISSN 1748-3387 . PMID 23132225 .
- ^ Kuc, A .; Zibouche, N .; Heine, T. (2011). "Influencia del confinamiento cuántico en la estructura electrónica del metal de transición sulfuroTS2". Physical Review B . 83 (24): 245213. arXiv : 1104.3670 . Código bibliográfico : 2011PhRvB..83x5213K . doi : 10.1103 / PhysRevB.83.245213 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Wilson, JA; Yoffe, AD (1969). "La discusión e interpretación de dicalcogenuros de metales de transición de las propiedades ópticas, eléctricas y estructurales observadas". Avances en Física . 18 (73): 193–335. Código bibliográfico : 1969AdPhy..18..193W . doi : 10.1080 / 00018736900101307 . ISSN 0001-8732 .
- ^ Yoffe, AD (1973). "Compuestos de capa". Revisión anual de ciencia de materiales . 3 (1): 147-170. Código Bibliográfico : 1973AnRMS ... 3..147Y . doi : 10.1146 / annurev.ms.03.080173.001051 . ISSN 0084-6600 .
- ^ a b c d B. Lucatto; et al. (2019). "Cargo qubit en heteroestructuras de van der Waals" . Physical Review B . 100 (12): 121406. arXiv : 1904.10785 . doi : 10.1103 / PhysRevB.100.121406 .
- ^ Duan, Xidong; Wang, Chen; Shaw, Jonathan C .; Cheng, Rui; Chen, Yu; Li, Honglai; Wu, Xueping; Tang, Ying; Zhang, Qinling; Pan, Anlian; Jiang, Jianhui; Yu, Ruqing; Huang, Yu; Duan, Xiangfeng (2014). "Crecimiento epitaxial lateral de heterouniones de semiconductores en capas bidimensionales". Nanotecnología de la naturaleza . 9 (12): 1024-1030. Código Bibliográfico : 2014NatNa ... 9.1024D . doi : 10.1038 / nnano.2014.222 . ISSN 1748-3387 . PMID 25262331 .
- ^ Ong, Zhun-Yong; Bae, Myung-Ho (2019). "Disipación de energía en dispositivos van der Waals 2D". Materiales 2D . 6 (3): 032005. arXiv : 1904.09752 . doi : 10.1088 / 2053-1583 / ab20ea .
- ^ "Tendencias de dispositivos 2D de Stanford" .
- ^ Shanmugam, Mariyappan; Jacobs-Gedrim, Robin; Song, Eui Sang; Yu, Bin (2014). "Heteroestructuras de semiconductores / grafeno en capas bidimensionales para aplicaciones solares fotovoltaicas". Nanoescala . 6 (21): 12682–12689. Código Bibliográfico : 2014Nanos ... 612682S . doi : 10.1039 / C4NR03334E . ISSN 2040-3364 . PMID 25210837 .
- ^ Kiemle, Jonas; et al. (2020). "Control del carácter orbital de excitones indirectos en heterobicapas MoS 2 / WS 2 " . Phys. Rev. B . 101 (12): 121404. arXiv : 1912.02479 . doi : 10.1103 / PhysRevB.101.121404 .