El fósforo negro (BP) en sus formas de pocas capas presenta propiedades electrónicas notables, especialmente en términos de masas efectivas y movilidad de portadores. Para BP de tres a cinco capas, se predice que los electrones y huecos tienen masas efectivas similares en las direcciones x e y, alrededor de 0.15 y 1.00 m0 respectivamente, donde m0 es la masa del electrón libre. Sin embargo, a pesar del conocimiento sobre estas propiedades intrínsecas, las movilidades de electrones y huecos en BP monoláser y bicapa aún permanecen inciertas, requiriéndose más experimentos para comprender los mecanismos subyacentes. Entre los semiconductores en capas tipo TMDC, las películas delgadas de BP con espesores mayores a 4 nm muestran movilidades de portadores mucho más altas que MoS2 y otros materiales semejantes.

Una característica destacada del BP ultrafino, con espesores de 4 nm y entre seis a ocho capas, es su movilidad de huecos de aproximadamente 5000 cm² V⁻¹ s⁻¹ a temperatura ambiente cuando se encuentra encapsulado entre capas de h-BN. Esta movilidad excepcional lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones electrónicas avanzadas. Además, el BP posee una banda prohibida moderada, cercana a 0.33 eV, que permite una interacción fuerte con la luz en un amplio rango espectral, incluyendo las regiones cercanas al infrarrojo y medio infrarrojo, lo que abre posibilidades en fotónica. Interesantemente, el BP puede ser adelgazado mediante plasma sin perder significativamente sus propiedades electrónicas y fotónicas, ampliando su potencial de uso.

La ingeniería de tensión en BP de pocas capas ha demostrado poder mejorar la conductividad eléctrica y las respuestas fotoeléctricas. La aplicación de deformaciones biaxiales o uniaxiales de aproximadamente 4-6% puede incluso rotar la dirección preferida de conducción en BP, optimizando su comportamiento para dispositivos específicos.

Por otro lado, los MXenes, un grupo diverso de materiales 2D compuestos por carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición, poseen fórmulas químicas del tipo Mn+1XnTx, donde Tx representa grupos funcionales superficiales como –O, –OH, –F y –Cl. Más de 30 MXenes han sido sintetizados experimentalmente mediante métodos como el grabado ácido selectivo y exfoliación, el grabado ácido de Lewis, y la deposición química de vapor (CVD). Estos materiales combinan una alta conductividad eléctrica, hidrofílica excepcional y propiedades mecánicas, ópticas, químicas y biológicas ajustables.

Aunque la mayoría de los MXenes exhiben comportamiento metálico o semimetálico, algunos presentan propiedades semiconductoras, como Sc2CO2, Ti2CO2, Zr2CO2 y Hf2CO2, con brechas de banda que oscilan entre 0.24 y 1.8 eV, aptas para absorber luz desde el visible hasta el infrarrojo medio. La estructura electrónica de los MXenes puede ser manipulada mediante los grupos funcionales de superficie, los átomos de metal de transición y la aplicación de tensión biaxial. Por ejemplo, la funcionalización con –O puede transformar un MXene metálico en semiconductores, como ocurre con Ti2CO2, Zr2CO2 y Hf2CO2, cuyos gaps pueden cambiar de indirectos a directos bajo tensiones aplicadas.

El MXene Ti2CO2 muestra propiedades eléctricas y magnetotransportadoras interesantes, con factores de dispersión Hall que varían considerablemente según temperatura y concentración de portadores. Su alta conductividad combinada con hidrofília los hace idóneos para aplicaciones en fotodetectores, pudiendo actuar como contactos Ohmicos o de Schottky con amplias posibilidades para dispositivos optoelectrónicos. La flexibilidad en su función de trabajo permite su uso en configuraciones diversas como diodos Schottky y detectores metal-semiconductor-metal.

La interacción entre las propiedades intrínsecas y extrínsecas de estos materiales, junto con su manipulación a nivel atómico y estructural, abre un abanico de posibilidades para aplicaciones electrónicas y fotónicas avanzadas. La combinación de una banda prohibida adecuada, alta movilidad de portadores, y la capacidad de modificar la estructura electrónica mediante tensión o funcionalización, sitúa tanto al fósforo negro como a ciertos MXenes en la vanguardia del desarrollo de dispositivos 2D.

Es importante reconocer que, además de las propiedades eléctricas y ópticas, la estabilidad ambiental, la compatibilidad con otros materiales y la escalabilidad de la síntesis son factores determinantes para la integración exitosa de estos materiales en tecnologías prácticas. La interacción con el entorno y la resistencia a la degradación, así como el control preciso de la estructura y la composición química, son elementos esenciales para garantizar el rendimiento a largo plazo en aplicaciones reales. Asimismo, la comprensión profunda de los mecanismos de transporte de carga y la influencia de defectos o impurezas pueden ser claves para optimizar la funcionalidad de estos materiales en dispositivos futuros.

¿Cómo influye el proceso de exfoliación en la fabricación de materiales bidimensionales semiconductores?

El proceso de exfoliación de materiales bidimensionales, como el grafeno y los disulfuros de metales de transición (TMDs), se ha consolidado como una herramienta esencial para la producción de materiales semiconductores con propiedades específicas. En este contexto, uno de los métodos destacados es la exfoliación inducida por intercambio iónico (IEE), la cual permite un control preciso sobre el grosor y las propiedades de las láminas resultantes. Este control se logra variando los contraiones o especies intercalantes, lo que a su vez permite adaptar los materiales a aplicaciones específicas. Una de las ventajas significativas de la IEE es que el proceso puede realizarse en solución, lo que facilita su escalabilidad para procesos de producción en grandes cantidades.

La exfoliación mediante iones de litio (LIE), por otro lado, involucra la introducción de iones de litio en los espacios intercapas de materiales laminares. Esta técnica expande el espaciado interlaminar y crea condiciones favorables para una posterior exfoliación. La pequeña movilidad y el tamaño relativamente reducido de los iones de litio permiten que este proceso se controle con precisión. La exfoliación mediante LIE es de especial importancia en la fabricación de electrodos para baterías de litio, ya que proporciona una mayor capacidad de almacenamiento de energía y una mejor estabilidad en los ciclos de carga y descarga. Además, las láminas de litio intercaladas tienen aplicaciones en supercondensadores, donde su alta área superficial y conductividad son cruciales para mejorar el almacenamiento y la entrega de carga.

Más allá del almacenamiento de energía, estas nanosheets intercaladas con litio también tienen aplicaciones en áreas como la electrónica, la catálisis, los sensores y la optoelectrónica, lo que abre un abanico de posibilidades para su implementación en diversas tecnologías avanzadas.

En cuanto a la reducción química (CR), esta metodología permite la reducción controlada de compuestos precursores, generando materiales bidimensionales de alta calidad con propiedades ajustadas. Un agente reductor, como la hidrazina o el borohidruro de sodio, es utilizado para reducir el compuesto precursor en una disolución, generando 2D SCMs (materiales semiconductores bidimensionales). Este método es altamente escalable y adaptable a la producción en grandes volúmenes, y permite controlar con precisión el tamaño, la forma y la composición de los materiales. Asimismo, la incorporación de dopantes o grupos funcionales durante la síntesis puede mejorar aún más las propiedades del material, ampliando sus aplicaciones en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

La metodología bottom-up, que se enfoca en la construcción controlada de bloques de materiales, ofrece una vía alternativa para la creación de SCMs. En este enfoque, la síntesis de materiales bidimensionales se lleva a cabo mediante el ensamblaje y crecimiento de bloques individuales, lo que permite un control preciso sobre la estructura y composición de los materiales. Algunos de los métodos más comunes en este enfoque incluyen el autoensamblaje molecular, el crecimiento epitaxial (EG) y la deposición de vapor químico (CVD). Aunque este enfoque proporciona un control más preciso sobre la estructura final, es más desafiante en términos de escalabilidad en comparación con los métodos top-down, lo que limita su uso a aplicaciones donde la precisión y el control sobre las propiedades sean esenciales.

El crecimiento epitaxial (EG) es una de las técnicas más utilizadas dentro de este enfoque. A través de la deposición controlada de capas atómicamente delgadas sobre un sustrato adecuado, es posible crear películas cristalinas con una estructura y orientación específicas. Esta técnica es fundamental para el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos avanzados, ya que permite controlar de manera precisa el grosor de las películas, su orientación cristalina y la densidad de defectos. La relación epitaxial entre el sustrato y el material en crecimiento es crucial para minimizar defectos y tensiones, asegurando la continuidad y perfección estructural en la película 2D resultante.

Por su parte, la deposición de vapor químico (CVD) es otro método prominente para la síntesis de SCMs 2D. En este proceso, los átomos o moléculas de un gas precursor se depositan controladamente sobre un sustrato, formando una capa delgada de material. Los materiales producidos por CVD presentan propiedades excepcionales, como alta movilidad de portadores, brecha de banda ajustable y flexibilidad mecánica, lo que los convierte en candidatos ideales para la fabricación de dispositivos electrónicos de próxima generación.

Es fundamental entender que la elección entre los métodos top-down y bottom-up depende de las propiedades deseadas, las aplicaciones específicas y las características del material en cuestión. En muchos casos, los investigadores combinan ambos enfoques para obtener los mejores resultados posibles. Además, la capacidad para escalar estos procesos es una consideración crucial al momento de avanzar hacia la producción en masa de estos materiales avanzados.

¿Cómo afecta la miniaturización de chips semiconductores al rendimiento y coste de los dispositivos electrónicos?

El desarrollo y miniaturización de los semiconductores ha sido un motor clave de la evolución tecnológica en los últimos años, especialmente en el ámbito de la electrónica y las telecomunicaciones. Desde el descubrimiento del tubo de vacío hasta la invención del transistor en 1947, y posteriormente la creación del circuito integrado (IC) en 1959, los avances en la miniaturización de los dispositivos han permitido que la electrónica se vuelva más accesible, potente y eficiente. Este progreso se ha acelerado gracias a la mejora continua de las tecnologías de fabricación de chips, con el fin de cumplir con la famosa Ley de Moore, que establece que el número de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada dos años.

Uno de los avances más significativos ha sido la transición de los wafers de silicio (Si), que son la base de la mayoría de los chips, hacia tamaños más grandes para lograr reducciones de coste. Mientras que en 1970 los fabricantes de chips usaban wafers de 50 mm de diámetro, para el año 2000 esta medida ya había aumentado a 300 mm, y ahora se están explorando wafers de 450 mm. Este cambio ha permitido a los fabricantes obtener 2,4 veces más chips por cada wafer, lo que a su vez ha reducido los costes de producción hasta en un 30%. Sin embargo, este avance trae consigo desafíos tecnológicos adicionales, como el aumento de la complejidad en el proceso de fabricación y la necesidad de nuevas técnicas de control de calidad y precisión.

La clasificación de los chips semiconductores en función de su capacidad de integración ha evolucionado a lo largo de los años. Se ha observado una reducción drástica en el tamaño de los transistores, lo que ha permitido la creación de chips más pequeños, rápidos y eficientes en términos de consumo energético. Estos chips se dividen en categorías según el número de transistores que contienen: desde la integración a pequeña escala (SSI) con menos de 50 transistores, hasta la ultra gran integración (ULSI), que puede superar los 100 millones de transistores por chip. Esto ha permitido la creación de dispositivos como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles con potentes capacidades de procesamiento.

El progreso hacia la miniaturización y la integración masiva ha generado importantes beneficios tanto en términos de rendimiento como de coste. Por ejemplo, el uso de chips SoC (System-on-Chip) en dispositivos como los teléfonos inteligentes ha permitido integrar múltiples funciones, como procesamiento de gráficos, cámara, audio y video, en un solo chip, lo que ha reducido el tamaño de los dispositivos sin sacrificar la potencia. Los microprocesadores y chips de memoria siguen siendo los principales componentes en la industria de los semiconductores, pero los SoC están ganando terreno debido a su eficiencia y funcionalidad integradas.

La fabricación de wafers de silicio sigue un proceso meticuloso que comienza con la conversión de la arena en silicio policristalino de alta pureza. Este silicio se purifica y se convierte en un ingot monocristalino, que luego se corta en finas láminas para la fabricación de los chips. Sin embargo, el proceso de fabricación sigue siendo costoso y técnicamente complejo, especialmente a medida que se avanza hacia wafers más grandes y chips más pequeños.

Además de la miniaturización, el avance en los materiales semiconductores ha desempeñado un papel crucial en la mejora del rendimiento de los chips. Materiales como el grafeno, los semiconductores bidimensionales (2D) y otros compuestos como los chalcógenos metálicos están emergiendo como alternativas al silicio. Estos materiales ofrecen propiedades electrónicas y ópticas superiores que podrían permitir dispositivos más rápidos, más eficientes y con mayor capacidad de integración. La investigación en estos nuevos materiales está abriendo las puertas a aplicaciones innovadoras en la electrónica, desde sensores de alta sensibilidad hasta dispositivos de almacenamiento de energía.

Es fundamental destacar que, a medida que la miniaturización de los dispositivos avanza, también aumentan las demandas de los sistemas de enfriamiento y gestión térmica. Los chips más pequeños generan más calor, y este exceso térmico puede reducir la eficiencia y la vida útil de los dispositivos. Por lo tanto, las soluciones de refrigeración avanzadas y la optimización del diseño térmico se están convirtiendo en áreas clave de investigación y desarrollo en la industria de semiconductores.

El futuro de los semiconductores se encuentra en un punto crítico. Si bien los avances en la miniaturización y la mejora en los materiales están permitiendo dispositivos más rápidos, pequeños y eficientes, la industria enfrenta el desafío de equilibrar la creciente demanda de potencia de cálculo con los límites físicos de la miniaturización. La transición a nuevas tecnologías y materiales, junto con la mejora en los procesos de fabricación, será esencial para superar los obstáculos tecnológicos que se presenten en los próximos años. La industria de los semiconductores continuará siendo un pilar fundamental en el progreso tecnológico global, influyendo en diversas áreas como la inteligencia artificial, la computación cuántica y las energías renovables.

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