El material de doble dimensión (2D) ha surgido como una de las clases más transformadoras de materiales en la ingeniería moderna de materiales y física condensada. Estos cristales atómicos delgados, que pueden ser tan poco como un monocapa único grueso, exhiben propiedades físicas que son sorprendentemente diferentes de sus contrapartes de gran tamaño.

¿Qué son los materiales 2D?

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Propiedades claves de rendimiento del dispositivo de conducción

El atractivo de los materiales 2D radica en su anisotropía extrema: electrones y fotones interactúan fuertemente dentro del plano, mientras que el acoplamiento entre capas es débil. Esto resulta en un conjunto de propiedades que son difíciles de lograr simultáneamente en semiconductores tradicionales:

  • ]Movilidad de alta portaaviones: La gramíneas exhibe movilidad de electrones superiores a 200.000 cm2/V·s a bajas temperaturas, mientras que las DMO como el MoS2 pueden alcanzar las movilidades superiores a 100 cm2/V·s en forma de monocapa.
  • ]Fácilidad mecánica y estirabilidad: Los materiales Monolayer 2D pueden soportar radios de flexión de unos pocos micrones sin fractura, permitiendo dispositivos electrónicos y fotonicos totalmente flexibles.
  • Interacciones entre la luz y la materia: A pesar de ser atómicomente delgados, los semiconductores 2D absorben hasta el 10% de luz incidental por monocapa, consecuencia de la fuerza oscilante alta y de las energías de unión estrecha de excitones.
  • Estructura electrónica: El bandgap de TMDs y fósforo negro varía con espesor (propiación de confinamiento cuántico) y puede ser modulado por cepa, campos eléctricos o dopaje químico.
  • Control electrónico: El canal ultra-thin permite una puntiaguda gatión electrostática, permitiendo que los transistores operen a baja tensión con altas pistas subtresistentes.

Estas propiedades hacen que los materiales 2D compilen para aplicaciones que superan las capacidades de los compuestos de silicio y III-V, especialmente en escenarios donde la delgadez, flexibilidad o operación de baja tensión son críticos.

Aplicaciones electrónicas de materiales 2D

La aplicación electrónica más inmediata de materiales 2D está en transistores de efectos de campo (FETs). Debido a que el canal puede ser sólo una capa atómica de espesor, la puerta pierde su control electrostático sobre todo el canal, permitiendo el escalado agresivo de las dimensiones transistor manteniendo baja corriente fuera del estado. Esto es especialmente prometedor para los nodos ultra-caded (sub-5 nm) donde el silicio sufre de efectos de cortocirco severos 108

Transistores ultra-calados y circuitos lógicos

Los investigadores han fabricado con éxito transistores con longitudes de canal inferiores a 10 nm utilizando nanotubos de carbono y MoS2 logrando un rendimiento que rivaliza o supera los dispositivos de silicio convencionales. La suavidad atómica de las superficies 2D reduce la dispersión de portadores, y la ausencia de enlaces de colgantes minimiza los estados de trampa en el canal/infraestructura eléctrica.

Uno de los retos clave en los transistores 2D es la formación de contactos eléctricos de baja resistencia. La barrera Schottky en la interfaz metal-semiconductor puede dominar el comportamiento del dispositivo, especialmente para las DMO. Los avances recientes incluyen el uso de intercapas de grafino, contactos de bordes y contactos metálicos de fase-ingeniero (por ejemplo, la fase 1T del MoS2) para lograr los valores de contacto·s de registro de alta resistencias

Electrónica flexible y sensores utilizables

Los materiales 2D son ideales para dispositivos flexibles y de desgaste porque pueden ser depositados en polímeros, papel o textiles por exfoliación mecánica, deposición de vapor químico (CVD), o impresión basada en soluciones. Transistores flexibles, fotodetecdores, sensores de tensión y biosensores se han demostrado todos. Por ejemplo, membranas sensibles al tacto con grafino y monitores duraderos que rastrean la transparencia del pulso o de la transmisor

Computación de baja potencia y neuromorfo

Más allá de la lógica digital clásica, se están explorando materiales 2D para la computación analógica de baja potencia y las arquitecturas neuromorfónicas. Sus canales atómicos y el control electrostático fuerte los hacen adecuados para los transistores de pendiente empinada (por ejemplo, FETs túneles y capacitancia negativa FETs) que pueden operar en la sub-60 mV/decade.

Aplicaciones Fotonicas de materiales 2D

En fotonics, la fuerte interacción de la luz y las propiedades ópticas afinables de los materiales 2D permiten dispositivos ultracompactos, rápidos y eficientes. Los semiconductores de Monolayer como MoS2 y WS2 tienen bandas directas que cubren el rango visible a infrarrojos, y sus excitones, pares de agujeros electrones de bordes estrictos, dominan la respuesta óptica incluso a temperatura ambiente.

Fotodetecdores y sensores de imagen

Los fotodetecdores de material 2D pueden diseñarse para sensibilidad de banda ancha (de ultravioleta a medio infrarrojo) seleccionando materiales con bandas apropiadas o usando heteroestructuras. Los fotodetecdores MoS2 pueden lograr responsivities de 103-105 A/W (en bisección) con tiempos de respuesta en el orden de microsegundos fotodetecturas de gran tamaño, mientras que falta un broche de banda

Moduladores y Interruptores Ópticos

Los moduladores electro-opticos convierten señales eléctricas en modulación óptica y son componentes críticos para la comunicación de datos. Los materiales 2D pueden lograr una modulación de alta velocidad porque su densidad de portador y nivel de Fermi pueden ajustarse rápidamente por un voltaje de puerta aplicado. Los moduladores de grafeno se han mostrado para operar a velocidades superiores a 50 GHz con pequeñas huellas de dispositivo.

Dispositivos de emisión de luz: LEDs y láser

Las emisiones de luz de monocapa son difíciles debido a sus contactos ohmicos deficientes y la baja eficiencia cuántica. Sin embargo, el trabajo reciente ha demostrado diodos emisores de luz (LEDs) basados en heterojunciones MoS2 y WS2 (por ejemplo, con hBN o WSe2) con emisiones en la superficie de las ondas rojas y cercanas a la infrarroja.

Heteroestructuras y dispositivos híbridos

Uno de los elementos más potentes de los materiales 2D es la capacidad de apilar diferentes capas en la escala atómica para formar heteroestructuras van der Waals. Estos cristales artificiales pueden combinar materiales con propiedades complementarias, por ejemplo, una capa superior de grafito para electrodos transparentes y un monocapa TMD como la capa optoelectrónica activa, sin restricciones de ajuste de la celosía.

Desafíos y futuras orientaciones

A pesar de la tremenda promesa de materiales 2D, quedan varios obstáculos en el camino hacia el despliegue comercial. La más crítica es síntesis a gran escala con calidad uniforme y espesor controlado. Mientras que la exfoliación mecánica sigue siendo el método de elección para estudios fundamentales, no es escalable.

Contactos y Dielectrics

La calidad de los contactos metálicos y las dielectrices de las puertas sigue siendo un gran cuello de botella de rendimiento. La altura de la barrera Schotky en las interfaces metal-2D se puede reducir mediante el uso de metales de bajo funcionamiento, contactos inertes de grafino, o TMD metálicos de ingeniería por fase. Sin embargo, la reproducibilidad en grandes áreas todavía falta.

Integración con la tecnología de silicona

Para realizar el impacto total de materiales 2D, deben integrarse en los flujos de fabricación semiconductores existentes. Esto requiere un proceso compatible con CMOS para el crecimiento, transferencia y modelado de películas 2D. Numerosos grupos de investigación están trabajando en el crecimiento directo de las ollas de silicio, procesos de transferencia utilizando temperaturas compatibles de back-end-of-line (BEOL) y la integración monolítica con los circuitos de silicion.

Perspectivas comerciales

[LT] Varias empresas ya están comercializando materiales 2D. La graphene se utiliza en tintas conductivas, almacenamiento de energía y materiales compuestos. Se espera que MoS2 y WS2 estén siendo explorados para pantallas de teléfonos inteligentes de próxima generación y sensores flexibles. Se espera que el mercado de fotones adopte fotodetecdores 2D y moduladores en centros de datos y sistemas LiDAR en la próxima década.

Conclusión

2D materiales han desbloqueado un nuevo espacio de diseño para dispositivos electrónicos y fotonicos que apalancan el espesor atómico, la movilidad excepcional de los transportistas y la fuerte interacción de los rayos luz. Desde transistores ultraescala y electrónica flexible a fotodetecdores y la optoelectrónica cuántica, estos materiales están permitiendo dispositivos que no son posibles con semiconductores convencionales.