Los semiconductores bidimensionales (2D) han demostrado un potencial significativo en el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, gracias a sus propiedades únicas derivadas de su estructura ultrafina y su composición atómica precisa. La movilidad electrónica en estos materiales puede mejorarse considerablemente mediante la reducción del grosor hasta escalas de pocos nanómetros; por ejemplo, al utilizar una puerta superior líquida con agua desionizada como dieléctrico, se han fabricado transistores de efecto campo (FET) ultrafinos de SnS2 que alcanzan movilidades excepcionales de hasta 230 cm² V⁻¹ s⁻¹. Estos dispositivos no solo presentan una movilidad sobresaliente, sino también una respuesta casi ideal en la región subumbral, con pendientes alrededor de 80 mV/decada, lo que permite relaciones de conmutación superiores a 10⁶.

En contraste, dispositivos similares con puerta inferior mantienen una movilidad promedio mucho menor, alrededor de 5 cm² V⁻¹ s⁻¹, lo que subraya la importancia del diseño y el entorno dieléctrico para optimizar el rendimiento. Esta diferencia destaca el impacto crítico que tiene la ingeniería del entorno eléctrico en la explotación del potencial intrínseco de los materiales 2D.

La superioridad de los semiconductores 2D no se limita únicamente a la movilidad electrónica, sino que también se extiende a aplicaciones optoelectrónicas. Estos materiales exhiben una mayor energía de enlace de excitones en comparación con sus homólogos tridimensionales, debido a la reducción en la atenuación dieléctrica ambiental. Este fenómeno incrementa la interacción entre electrones y huecos, inhibiendo procesos de recombinación no radiativa y favoreciendo la eficiencia luminosa. Esta característica resulta especialmente relevante para el desarrollo de LEDs con alta eficiencia cuántica, capaz de emitir luz en un amplio rango espectral desde el naranja hasta el violeta.

Un ejemplo destacado es el uso de perovskitas 2D, cuya banda prohibida puede ajustarse mediante la modificación de la composición química y el número de capas. En trabajos recientes, se ha logrado una eficiencia cuántica fotoluminiscente del 35% en películas quasi-2D fabricadas con bromuro de fenilbutilamonio (PBABr) y CsPbX3, ajustando con precisión la proporción Cl:Br. Esta manipulación fina permite controlar el color de emisión, desplazando el pico excitónico hacia longitudes de onda más cortas al aumentar la concentración de cloro, lo que demuestra la versatilidad de estas estructuras para aplicaciones optoelectrónicas personalizadas.

Además de las aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, los semiconductores 2D, especialmente los dichalcogenuros de metales de transición (TMDCs) como el MoS2 y WeS2, están ganando protagonismo en el campo del almacenamiento y la conversión de energía. Su estructura laminar y gran área superficial proporcionan numerosos sitios activos para el almacenamiento iónico, manteniendo la estabilidad estructural durante múltiples ciclos de carga y descarga. La fabricación de nanosheets orientados verticalmente en MoS2 ha incrementado notablemente la capacitancia, al aumentar la cantidad de huecos de van der Waals y proporcionar enlaces reactivos para los iones del electrolito. Esta arquitectura ha demostrado capacidades areales de hasta 12.5 mF cm⁻², lo que supera ampliamente las capacidades de los materiales convencionales empleados en supercondensadores.

En el ámbito de las baterías de ion-litio, los anodos tradicionales presentan limitaciones en su capacidad teórica y práctica, siendo insuficientes para las crecientes demandas energéticas actuales. Los materiales 2D ofrecen soluciones gracias a su capacidad para intercalar iones de litio sin provocar cambios volumétricos significativos, preservando la integridad del material activo durante el ciclo de vida de la batería. MoS2, con una capacidad teórica superior a 670 mAh g⁻¹, destaca en este sentido como un candidato prometedor para mejorar el rendimiento energético de las baterías.

Los avances en semiconductores 2D de banda ancha abren también nuevas oportunidades en tecnologías emergentes como la computación cuántica, sensores y dispositivos piezoeléctricos. Las propiedades cuánticas derivadas de sus dimensiones subnanométricas, como el efecto Hall cuántico y la valentonica, amplían el horizonte para la creación de dispositivos con funcionalidades inéditas. Materiales como ZnIn2S4, con alta estabilidad al aire y un gran ratio ON/OFF, ejemplifican el progreso hacia aplicaciones prácticas en optoelectrónica y fenómenos cuánticos. Asimismo, la funcionalización química permite modular las propiedades electrónicas y magnéticas de materiales como el AlN 2D, ampliando su potencial para la electrónica y la espintrónica.

Sin embargo, estos avances se enfrentan a desafíos fundamentales que condicionan su implementación masiva. La fabricación precisa y escalable de materiales 2D de banda ancha sin defectos permanece como un reto técnico importante, debido a la dificultad de mantener uniformidad y propiedades intrínsecas en grandes superficies. Además, la sensibilidad ambiental, especialmente a la humedad y el oxígeno, puede inducir degradación o oxidación, afectando la estabilidad y durabilidad de los dispositivos. Por ello, es indispensable desarrollar métodos de síntesis y encapsulado que protejan estas estructuras sin comprometer sus propiedades.

La comprensión profunda de la interacción entre el entorno dieléctrico y las propiedades electrónicas de los materiales 2D es crucial para optimizar su desempeño en aplicaciones reales. Asimismo, es fundamental considerar la integración de estos materiales con tecnologías convencionales y evaluar su compatibilidad con los procesos de fabricación industrial, garantizando así una transición efectiva del laboratorio a la producción a gran escala.

Finalmente, la explotación de las propiedades excitónicas y cuánticas no solo impulsa la mejora en dispositivos optoelectrónicos y sensores, sino que también puede transformar áreas como la informática cuántica y la espintrónica, abriendo caminos hacia sistemas más eficientes y funcionales. El avance en la química de superficie y la ingeniería de interfaces será decisivo para superar las barreras actuales y expandir el impacto tecnológico de los semiconductores 2D de banda ancha.

¿Cómo influyen las propiedades interfaciales y la geometría en los semiconductores bidimensionales?

Las propiedades interfaciales de los semiconductores bidimensionales (2D-SCMs) ejercen una influencia decisiva sobre sus estructuras electrónicas y su comportamiento general. Cuando se forman heteroestructuras de van der Waals (vdWHs) mediante la unión de distintos materiales 2D o sustratos, se posibilita la ingeniería del gap electrónico y la alineación de bandas, creando dispositivos con características electrónicas singulares, tales como gaps ajustables y estados electrónicos novedosos. Este control minucioso sobre las propiedades de interfaz permite optimizar la fotoluminiscencia mediante estados interfaciales específicos o imperfecciones, aumentando la intensidad y eficiencia de la emisión lumínica, hecho fundamental para aplicaciones optoelectrónicas como láseres.

Los dispositivos electrónicos de alta velocidad, como los transistores de efecto campo (FETs), encuentran en los 2D-SCMs un material de interés debido a que interfaces diseñadas adecuadamente reducen la dispersión y mejoran la movilidad de los portadores de carga. Además, la sensibilidad inherente a estos materiales frente a cambios en el entorno, como la adsorción de moléculas de gas, se explota para el desarrollo de sensores químicos y de gases. La interacción con sustratos o materiales próximos induce tensiones interfaciales que modifican las propiedades electrónicas y mecánicas del semiconductor, habilitando la ingeniería por deformación para dispositivos con funcionalidades específicas.

La química superficial de los 2D-SCMs también se ve alterada por sus propiedades interfaciales, permitiendo la funcionalización mediante grupos químicos que optimizan la reactividad para aplicaciones en catálisis y sensores. Así, el análisis detallado de estas interfaces posibilita la modificación a voluntad de propiedades fundamentales como la estructura de bandas, fotoluminiscencia, movilidad, sensibilidad a gases, ingeniería de tensiones y reactividad superficial.

La geometría de los semiconductores 2D, basada en una estructura atómica bidimensional que difiere radicalmente de la red cristalina tridimensional tradicional, es otra pieza clave para entender sus propiedades electrónicas, ópticas y químicas. Esta geometría comprende elementos esenciales como la monocapa atómica, el tipo de red (hexagonal, rectangular, trigonal prismática), la celda unidad, la secuencia y forma de apilamiento, terminaciones de borde, curvaturas, defectos y límites de grano. Por ejemplo, materiales como MoS₂ tienen una estructura trigonal prismática, mientras que el grafeno exhibe una red hexagonal.

El apilamiento de capas múltiples en heteroestructuras de van der Waals, donde fuerzas débiles unen distintas monocapas, puede producir heterouniones con propiedades eléctricas únicas, según el orden relativo de las capas. Los bordes del semiconductor 2D juegan un papel crucial: las terminaciones atómicas o vacancias en estos sitios pueden introducir estados de borde o modificar la reactividad química local, y pueden ser funcionalizados o pasivados para ajustar las propiedades del material. Las imperfecciones estructurales como vacancias, sustituciones, dislocaciones y límites de grano afectan el transporte de carga y el desempeño del dispositivo, mientras que las curvaturas o pliegues inducen efectos de tensión que alteran las estructuras de banda electrónica y pueden modificar las características del dispositivo a escala nanométrica.

Estudios experimentales han demostrado cómo tratamientos superficiales, como la exposición a UV/O₃, modifican la energía superficial y las propiedades eléctricas de capas de MoS₂, promoviendo la formación de enlaces Mo–O o S–O y reduciendo densidades de trampas en la interfaz. También se han reportado heteroestructuras epitaxiales de GaSe sobre grafeno que reducen la densidad electrónica en la capa inferior. La combinación de diferentes materiales 2D, como HfN₂ y MoTe₂, abre posibilidades en campos como la fotovoltaica, termoeléctrica, piezoeléctrica y electrónica analógica y digital, gracias a la formación de vdWHs tipo II que favorecen la separación eficiente de cargas.

El rendimiento de los FETs basados en TMDCs (dicalcogenuros de metales de transición) está influenciado por impurezas interfaciales, espesor y movilidad de portadores, lo que ha sido objeto de intensas investigaciones. La fotocatálisis también se beneficia de estructuras heterogéneas 2D, con ejemplos como GaS/arsénico y GaSe/arsénico para la producción de hidrógeno mediante la división del agua. Además, la combinación de fases metálicas y semiconductoras en TMDCs ofrece baja resistencia de contacto y alta sintonización de puerta, atributos esenciales para la próxima generación de dispositivos electrónicos.

Simulaciones “ab initio” y estudios experimentales sobre interfaces metálicas con monocapas de MoSe₂ muestran variaciones en la adsorción y la altura de la barrera de Schottky, indicando que la interacción depende fuertemente del tipo de metal, desde adsorción débil en aluminio, plata y paladio, hasta fuerte en titanio, níquel y cromo, afectando así el transporte de carga y la eficiencia del dispositivo.

Es fundamental comprender que la manipulación y control de las propiedades interfaciales y geométricas en 2D-SCMs permiten no solo mejorar los dispositivos existentes sino también concebir nuevos sistemas con funcionalidades específicas, basadas en la interacción fina entre capas, bordes y defectos. La versatilidad de estos materiales radica en la profunda conexión entre su estructura atómica y su comportamiento macroscópico, lo que exige un estudio interdisciplinar que abarque física, química y ciencia de materiales.

Además, la estabilidad química y la reproducibilidad de las interfaces son aspectos clave para su integración tecnológica, dado que las propiedades observadas pueden ser muy sensibles a condiciones ambientales y procesos de fabricación. También es importante destacar que las tensiones inducidas por curvaturas o apilamientos pueden generar efectos topológicos y cuánticos emergentes que no se manifiestan en materiales tridimensionales convencionales, abriendo caminos para la física fundamental y aplicaciones avanzadas.

La comprensión detallada de la relación entre la estructura atómica, las propiedades interfaciales y la geometría permite optimizar el diseño de dispositivos nanoelectrónicos, optoelectrónicos y sensores, potenciando un desarrollo tecnológico basado en el control a escala atómica y molecular de los materiales semiconductores bidimensionales.

¿Cómo influyen los efectos de apilamiento y la deslocalización de orbitales moleculares en las propiedades de los semiconductores bidimensionales?

El estudio de los materiales semiconductores bidimensionales (2D) ha ganado una atención significativa en los últimos años, especialmente en el contexto de sus aplicaciones en dispositivos electrónicos y ópticos. El desarrollo de heteroestructuras basadas en materiales 2D, como el grafeno y los disulfuros de metales de transición, ha permitido no solo una mejora en las propiedades electrónicas de estos materiales, sino también la creación de nuevos mecanismos para controlar sus características electrónicas y ópticas. Uno de los factores más relevantes que influye en las propiedades de estos materiales es el apilamiento de las capas, un fenómeno que puede alterar profundamente las propiedades de los materiales semiconductores.

El apilamiento de materiales bidimensionales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno (MoS2) puede dar lugar a heteroestructuras con propiedades electrónicas únicas. Estas heteroestructuras son configuraciones en las que las capas de materiales 2D se apilan de manera precisa, aprovechando las interacciones de van der Waals. La variación en la alineación de las capas, ya sea en forma de apilamiento tipo AB o tipo AA, tiene un impacto directo en la estructura de bandas del material y, por ende, en sus propiedades electrónicas. Por ejemplo, en el grafeno, el apilamiento tipo AB puede inducir un cierre parcial del bandgap, lo que favorece el desarrollo de dispositivos electrónicos de bajo consumo energético.

El impacto de la deslocalización de los orbitales moleculares también es crucial. Los materiales bidimensionales, debido a su alta superficie específica y la cercanía entre las capas atómicas, exhiben una deslocalización de los electrones que puede afectar la estabilidad y el bandgap de estos materiales. En el caso del grafeno parcialmente oxidado, por ejemplo, la deslocalización de los orbitales π influye significativamente en la estabilidad de la estructura y la apertura de un bandgap. Este fenómeno es particularmente interesante cuando se analizan los efectos topológicos de la deslocalización sobre la banda de valencia y la banda de conducción. De esta manera, el control de la deslocalización se convierte en una herramienta clave para la ingeniería del bandgap y la mejora de la eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos.

Las propiedades electrónicas de los materiales 2D también se ven fuertemente afectadas por la geometría de la estructura, como lo demuestra el caso del grafeno y sus derivados. En estructuras apiladas de grafeno, la interacción entre las capas puede inducir la apertura de un bandgap, fenómeno observado especialmente cuando el grafeno se encuentra en contacto con un sustrato específico o cuando se aplica una tensión externa. Este tipo de manipulación permite el control de las propiedades electrónicas a niveles extremadamente finos, ofreciendo nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos semiconductores avanzados, como transistores de efecto de campo (FET) y sensores de alta sensibilidad.

Además de los efectos de apilamiento y deslocalización, las heteroestructuras verticales y laterales entre materiales 2D han emergido como una vía poderosa para diseñar dispositivos con propiedades electrónicas y ópticas mejoradas. Por ejemplo, la creación de heteroestructuras entre MoS2 y WSe2 permite aprovechar el efecto de transferencia de carga intercapas, lo que facilita la creación de dispositivos fotovoltaicos y fotodetectores con una eficiencia mejorada. Estas heteroestructuras no solo mejoran la conductividad electrónica, sino que también permiten una manipulación precisa de las propiedades ópticas, crucial para las aplicaciones en comunicaciones ópticas y dispositivos de visualización.

Un área de interés particular es el estudio de las heteroestructuras MoS2/WSe2. En estas configuraciones, la transferencia de portadores de carga a través de las interfaces de las capas de los materiales 2D ofrece un control preciso de las características electrónicas y ópticas. Este fenómeno tiene implicaciones directas en la creación de dispositivos con alta velocidad de conmutación y eficiencia en la conversión de energía. Además, el control del apilamiento de materiales bidimensionales en esta clase de heteroestructuras también permite la manipulación de las propiedades de los excitones, las partículas responsables de la absorción y emisión de luz en los materiales semiconductores.

Los avances en la fabricación de heteroestructuras de materiales 2D con diferentes propiedades electrónicas y ópticas permiten la creación de dispositivos semiconductores con aplicaciones tanto en la industria de la energía como en la electrónica flexible. Es importante destacar que la manipulación precisa de la separación entre capas y la alineación de los materiales es crucial para lograr un rendimiento óptimo. Además, la integración de materiales 2D con otras tecnologías avanzadas, como los nanotubos de carbono o las nanocapas de grafeno, ofrece nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos electrónicos de alto rendimiento.

Para comprender en profundidad las propiedades de los semiconductores 2D, es necesario tener en cuenta que el apilamiento y la deslocalización de los orbitales no son fenómenos aislados, sino que interactúan entre sí de maneras complejas. La investigación en este campo continúa avanzando, pero se requiere un conocimiento profundo de las interacciones entre los materiales y los efectos de la geometría de las capas para optimizar las aplicaciones en dispositivos electrónicos y fotónicos. Las futuras investigaciones deberán centrarse en la creación de nuevos materiales 2D con propiedades ajustables y en el perfeccionamiento de las técnicas de fabricación para controlar con mayor precisión la estructura de las heteroestructuras.

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