El grafeno, material con una excepcional conductividad térmica y propiedades electrónicas, ha demostrado ser prometedor en aplicaciones termoeléctricas, aunque su uso presenta ciertos desafíos. En particular, la conductividad térmica de este material, que varía entre los 80 y 300 W/mK, depende de diversos factores, incluyendo la densidad de dopaje. A temperaturas bajas, por debajo de 200 K, la dispersión entre electrones e impurezas domina la conductividad térmica, mientras que a temperaturas normales, el proceso de dispersión inelástica electron-fonón es el principal contribuyente. La ley de Wiedemann-Franz ha sido validada a temperaturas menores a 150 K, utilizando métodos como el auto-calentamiento de Joule y la termometría por ruido de Johnson.

La conductividad térmica del grafeno también depende considerablemente de su tamaño y configuración estructural. En muestras suspendidas de grafeno a temperatura ambiente, las trayectorias medias libres de electrones son del orden de 100 nm, mientras que las trayectorias de fonones alcanzan 1 mm. Este desequilibrio en las trayectorias de los portadores de carga y los fonones es uno de los principales factores que afecta la eficiencia termoeléctrica del grafeno. Además, se ha demostrado que la reducción del tamaño de la muestra puede reducir la conductividad térmica en hasta un 50%, debido al aumento de la dispersión fonón-frontera.

Un aspecto crucial es el tratamiento de defectos en el grafeno. La ingeniería de defectos, como la reducción de los límites de grano, la funcionalización y la estructuración nanométrica, puede ser útil para reducir la conductividad térmica y, al mismo tiempo, mejorar la eficiencia de dispositivos termoeléctricos. La presencia de defectos introduce impurezas que, si bien disminuyen la conductividad térmica, no afectan de manera tan significativa la conductividad eléctrica. Por lo tanto, un grafeno con defectos controlados puede presentar un mayor valor de factor de mérito termoeléctrico, ZT, en comparación con el grafeno puro.

Esta mejora en la eficiencia termoeléctrica del grafeno es especialmente importante en aplicaciones que requieren una gestión térmica eficiente, como el enfriamiento de puntos calientes en dispositivos nanoelectrónicos. En este contexto, el grafeno ha demostrado ser muy prometedor, ya que no solo tiene una excelente capacidad para transportar calor, sino que también puede generar electricidad a partir de la diferencia de temperatura, haciendo de él una opción interesante para los dispositivos termoeléctricos de próxima generación.

Además del grafeno, los materiales semiconductores bidimensionales (2D) basados en compuestos de dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) han comenzado a ganar atención en el campo termoeléctrico. Estos materiales presentan un comportamiento electrónico complejo y han sido estudiados por sus capacidades ópticas y electrónicas. La reducción del número de capas en los TMDCs puede cambiar su banda de energía indirecta a directa, lo que abre nuevas posibilidades para aplicaciones termoeléctricas.

El factor de mérito termoeléctrico ZT de los materiales TMDC también depende de la ingeniería de sus propiedades electrónicas, y estudios recientes han demostrado que la alteración de las concentraciones de portadores a través de dopaje controlado puede mejorar significativamente su rendimiento termoeléctrico. Sin embargo, al igual que en el grafeno, un desafío persistente es cómo controlar las interacciones de los portadores de carga y los fonones de manera que se maximice el factor de mérito sin comprometer otras propiedades del material, como la estabilidad estructural o la facilidad de integración en dispositivos prácticos.

Es esencial comprender que la reducción de la conductividad térmica en materiales como el grafeno y los TMDCs, mediante defectos controlados o la modificación de su estructura a nivel atómico, no solo mejora el rendimiento de los dispositivos termoeléctricos, sino que también plantea nuevos retos para mantener la estabilidad y durabilidad de dichos materiales en aplicaciones reales. La optimización de estos parámetros es fundamental para el desarrollo de tecnologías avanzadas en la gestión térmica y la recolección de energía en dispositivos electrónicos de próxima generación.

¿Cómo los materiales bidimensionales redefinen la detección, la conducción y la recolección de energía?

La transferencia de portadores eléctricos desde circuitos externos hacia componentes funcionales internos en dispositivos electrónicos ha dependido tradicionalmente de la conducción alámbrica. Sin embargo, este método presenta una degradación inevitable de los portadores a lo largo del trayecto, disminuyendo su eficiencia antes de contribuir a la operatividad del sistema. Para superar esta limitación, se ha desarrollado una técnica inalámbrica basada en inducción electrostática destinada a activar portadores nativos exclusivamente dentro de dispositivos supercapacitores electroquímicos fabricados con MXenos.

Los experimentos y simulaciones computacionales demuestran que esta técnica es capaz de excitar con alta eficiencia los portadores nativos tanto en la sustancia porosa del MXeno como en el sustrato metálico de lámina y en el electrolito iónico en las zonas instrumentales afectadas por el campo electrostático alterno (AEF). Esta activación no sólo es efectiva, sino que permite alcanzar una capacidad energética de 541,6 F/g, superando ampliamente los 258,5 F/g obtenidos mediante conducción alámbrica convencional. Además, el sistema presenta una sensibilidad destacable para la detección de proximidad inalámbrica (7,01 µA/m) y una linealidad de 97,9% en profundidades de penetración de hasta 20 cm, con una sensibilidad máxima de 14,4 mA/ν en la medición de la intensidad del AEF, manteniendo una linealidad del 95,2%. Prototipos funcionales han confirmado estas propiedades, reforzando el potencial de los MXenos como eje central en el desarrollo de sensores de próxima generación.

Los MXenos destacan por su conductividad metálica excepcional, hidrofobicidad, baja resistencia a la difusión, alta movilidad iónica, superficie activa extensa y facilidad de integración. Estas propiedades los convierten en candidatos ideales no solo para almacenamiento energético, sino también para aplicaciones avanzadas en química moderna, particularmente en detección analítica.

Paralelamente, los calcogenuros metálicos —una amplia familia de materiales bidimensionales— se posicionan como alternativa funcional al grafeno al evitar su naturaleza sin banda prohibida. Esta propiedad permite la absorción de luz y su uso como fotorreceptores. Según su composición, se dividen en calcogenuros de metales de transición y de metales del grupo principal. Los primeros incluyen estructuras bien estudiadas como los dicacogenuros de metales de transición (TMDs) con fórmula MX₂ (M = Mo, W, V, Nb, Ta) y otros menos explorados como los tricacogenuros MX₃ (M = Ti, Zr, Hf), todos unidos mediante fuerzas de van der Waals.

Los TMCs (Transition Metal Chalcogenides) presentan propiedades ópticas, eléctricas y catalíticas inusuales, cruciales para el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos avanzados. Se ha demostrado que estos materiales poseen una fotoreactividad ajustable y conductividad anisotrópica, lo cual permite la fabricación de detectores de gases fotomejorados. En particular, prototipos de sensores de dióxido de nitrógeno, etanol y acetona basados en trisulfuro de circonio (ZrS₃) muestran que tanto la fotoconductividad como el fotopuenteo determinan su respuesta bajo distintas longitudes de onda de irradiación. La interacción superficial con estados trampa afecta el transporte de carga, generando respuestas eléctricas diferenciadas según la luz incidente.

Otros trabajos, como los de Voloshina, destacan el uso de espectroscopía fotoelectrónica angular para desentrañar la estructura electrónica del CoPS₃, un material antiferromagnético con amplia banda prohibida. Los estudios muestran cómo la disposición de bandas resueltas en espín revela correlaciones electrón-electrón locales significativas, sugiriendo nuevos enfoques para analizar la estructura electrónica y magnética en materiales similares.

La evolución tecnológica también contempla a los semiconductores bidimensionales naturales como alternativa a la tradicional fabricación con semiconductores de óxido metálico complementarios basados en silicio. Investigaciones recientes sobre semiconductores del grupo 11 con fórmula M₂X (M = Au, Ag; X = S, Se, Te) muestran que estos materiales poseen un rendimiento competitivo en transistores con longitudes de compuerta de hasta 5 nm. El Au₂S, en particular, destaca como transistor tipo n con excelente control electrostático y una alta razón I_ON/I_OFF.

En este contexto de materiales 2D revolucionarios, el fosforeno —una monocapa de fósforo negro— se posiciona como contrapartida directa del grafeno. Su forma cristalina ortorrómbica y anisotrópica le otorga propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas sobresalientes. Es un material con alta relación superficie-volumen, notable absorción óptica y gran accesibilidad para portadores de carga, lo que le confiere un rol estratégico en aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas.

El desarrollo de materiales de cambio de fase basados en fosforeno negro, con alta capacidad de conversión fototérmica y conservación de calor latente, representa una vía prometedora hacia la recolección y almacenamiento eficiente de energía solar. Mediante técnicas de exfoliación refinadas y control de gradientes térmicos en procesos de congelación direccional, se han logrado estructuras de fosforeno integradas en matrices poliméricas con incrementos significativos en la conductividad térmica (hasta 1,81 W/m/K con 20% vol. de carga), calor latente elevado (103,91 J/g) y estabilidad estructural óptima. Estos avances apuntan hacia el desarrollo de compuestos con arquitecturas inteligentes para una ingeniería térmica altamente controlada.

El lector debe considerar que el aprovechamiento real de estos materiales depende de una comprensión profunda de las interacciones entre portadores, interfaces y estímulos externos. Las respuestas electrónicas no sólo emergen de la estructura interna del material, sino también de cómo esta se ve afectada por el entorno. Esta perspectiva permite una optimización dirigida tanto para almacenamiento como para detección, crucial en la transición hacia tecnologías electrónicas, fotónicas y energéticas de alta eficiencia.

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