El desarrollo de materiales semiconductores bidimensionales (2D-SCMs) ha revolucionado el campo de los dispositivos de almacenamiento de energía, gracias a sus excepcionales propiedades electroquímicas que permiten una transferencia de carga eficiente, altas tasas de carga y descarga, y una densidad de potencia superior. Estos materiales, al estar formados por estructuras de una sola capa, poseen una gran área superficial que facilita un aumento significativo en la capacidad de almacenamiento de energía, tanto en supercondensadores como en baterías. La capacidad para almacenar y transferir cargas, junto con sus características redox y catalíticas, determina en gran medida su rendimiento en aplicaciones de almacenamiento energético como vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos de alto rendimiento y sistemas de energía renovable.

Uno de los principales beneficios de los materiales semiconductores 2D es su capacidad para permitir un movimiento rápido de cargas, ya sean iones o electrones, a través del material. Este transporte rápido de carga no solo reduce los tiempos de carga y descarga, sino que también mejora la eficiencia energética al minimizar las pérdidas resistivas. La alta movilidad de los portadores de carga es esencial en sistemas de almacenamiento de energía que requieren entregas rápidas de energía, como los utilizados en vehículos eléctricos o en la estabilización de redes eléctricas. Además, el movimiento eficiente de las cargas contribuye a una alta densidad de potencia, lo que es indispensable en aplicaciones que demandan ráfagas de energía de corta duración, como la recolección de energía y la estabilización de la red.

En cuanto a las capacidades de almacenamiento de carga, los 2D-SCMs destacan por su vasta superficie, lo que proporciona una gran cantidad de sitios activos para las reacciones electroquímicas. Esta característica facilita el almacenamiento de iones y electrones durante los ciclos de carga y descarga, mejorando así la capacidad general del dispositivo de almacenamiento de energía. En supercondensadores, una mayor superficie está directamente correlacionada con una mayor capacitancia, lo que eleva el potencial de almacenamiento energético. De manera similar, en las baterías, el almacenamiento de iones y electrones en la superficie de los 2D-SCMs incrementa la capacidad de almacenamiento global, mejorando aún más el rendimiento del sistema de almacenamiento.

En cuanto a las propiedades redox, numerosos materiales semiconductores 2D muestran reacciones redox reversibles, fundamentales para el almacenamiento de energía en dispositivos como baterías y supercondensadores. Estas reacciones permiten cambios reversibles en los estados de oxidación, lo cual es crucial para almacenar y liberar energía eléctrica sin un desgaste significativo en los ciclos de carga y descarga. Además, la personalización de estas reacciones mediante dopantes o defectos en los materiales puede mejorar aún más la actividad electroquímica y, por lo tanto, optimizar el rendimiento del dispositivo de almacenamiento.

La capacidad catalítica de los 2D-SCMs es otro aspecto destacado, ya que mejora la eficiencia de las reacciones electroquímicas, reduciendo la energía de activación y aumentando la velocidad de las reacciones. Este atributo es esencial en dispositivos como las pilas de combustible, donde la actividad catalítica favorece la conversión de energía de manera más eficiente. Los materiales 2D también ayudan a reducir los sobrepotenciales, lo que disminuye la cantidad de energía adicional requerida para las reacciones electroquímicas, lo que se traduce en una conversión y almacenamiento de energía más eficiente.

Existen diferentes tipos de materiales semiconductores 2D que se utilizan en aplicaciones de almacenamiento de energía, cada uno con características únicas que los hacen adecuados para distintos usos. El grafeno, por ejemplo, es un material 2D compuesto por una sola capa de átomos de carbono que se organiza en una estructura de panal. Este material es conocido por su alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y gran área superficial, lo que lo hace ideal para aplicaciones de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores. Por otro lado, los disulfuros de metales de transición (TMDCs), como MoS2 o WS2, son materiales 2D con una estructura laminar que presentan un margen de banda ajustable, lo que permite adaptarlos a diferentes aplicaciones, desde células solares hasta baterías de alta densidad energética.

El rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía basados en materiales semiconductores 2D depende también de la estabilidad electroquímica del material, que está influenciada por su resistencia a las reacciones secundarias y su capacidad para soportar cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga. Este aspecto es crucial para garantizar la longevidad de los dispositivos y asegurar su funcionamiento durante un mayor número de ciclos.

A medida que los investigadores continúan explorando y optimizando estos materiales, se están desarrollando nuevas arquitecturas de dispositivos que maximizan los beneficios del transporte eficiente de carga y abordan desafíos como la estabilidad, escalabilidad e ingeniería de interfaces. Esto promete avanzar en la creación de tecnologías de almacenamiento de energía más sostenibles y eficientes.

¿Por qué los materiales semiconductores bidimensionales son esenciales para la próxima generación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos?

El proceso que conduce a la emisión de SHG (generación de segundo armónico) alrededor de guías de onda sublongitud de onda, que son colimadas axialmente pero divergentes transversalmente, presenta importantes implicaciones para la manipulación de las emisiones de SHG en sistemas a escala nanométrica. Este fenómeno ha demostrado ser crucial en la mejora de los dispositivos ópticos, permitiendo el control de la fase y el espín de la luz, lo que aumenta la emisión no lineal de materiales bidimensionales colocados sobre superficies plásmónicas. Usando una fase geométrica relacionada con el espín sobre una superficie de oro, se logró bombear de manera coherente los fotones del valle de segundo armónico en monoláminas de WS2, separándolos y dirigiéndolos a direcciones predeterminadas a temperatura ambiente.

Dentro de los materiales semiconductores bidimensionales, el hexagonal boron nitride (h-BN) ha captado gran atención debido a sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Este material, que comparte una estructura en red similar a la del grafeno pero con una constante de red un 1.8% mayor, es un semiconductor de banda ancha con un bandgap de aproximadamente 5.9 eV. Su estructura atómica consta de átomos alternados de boro y nitrógeno con un grosor de un solo átomo, lo que le confiere una estabilidad química sobresaliente, una alta conductividad térmica y propiedades eléctricas de aislamiento. Sin embargo, el h-BN no es perfecto, ya que presenta defectos como bordes, límites de grano, dislocaciones, átomos intersticiales y vacantes. Estos defectos modifican la estructura electrónica de las láminas de h-BN, afectando su comportamiento en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Además, la introducción de átomos dopantes, tales como carbono, hidrógeno, metales, flúor y oxígeno, también altera la estructura electrónica y las propiedades ópticas del material.

Una de las aplicaciones más prometedoras del h-BN radica en su uso como sustrato para dispositivos electrónicos basados en grafeno. La utilización de grandes láminas de h-BN para encapsular grafeno permite mejorar la movilidad de los portadores de carga en los dispositivos, minimizando la desordenación de las superficies de grafeno, ya que el h-BN tiene una superficie lisa y casi libre de trampas de carga y enlaces colgantes. De hecho, los dispositivos de grafeno que utilizan h-BN como sustrato muestran una movilidad tres veces superior en comparación con aquellos que no utilizan este material. Además, el h-BN ha demostrado ser eficaz en aplicaciones de barreras de fuga de carga debido a sus excepcionales propiedades aislantes, lo que lo convierte en un candidato ideal para dispositivos de emisores de luz ultravioleta profundo (DUV) y fotodetectores.

El fósforo negro (BP) es otro material semiconductor bidimensional que ha ganado relevancia en la investigación actual debido a sus propiedades excepcionales. Comparado con otros alótropos de fósforo, como el fósforo blanco y rojo, el BP es notablemente más estable. Su estructura cristalina ortorrómbica, donde los átomos de fósforo están dispuestos en una red tipo panal, le confiere propiedades anisotrópicas, lo que afecta la conductividad óptica, mecánica y termoelectrica. Esta disposición permite que su banda de energía sea ajustable dependiendo del número de capas, lo que convierte a BP en un material muy prometedor para dispositivos optoelectrónicos avanzados, especialmente en aplicaciones de modulación óptica.

La dependencia de BP de su grosor para modificar su banda de energía, que varía de aproximadamente 0.33 a 2.0 eV al reducirse de más de diez capas a una sola capa, resalta su flexibilidad y capacidad para ser empleado en una variedad de dispositivos que requieren un control preciso sobre las propiedades electrónicas y ópticas. Además, los estudios han demostrado que las masas efectivas de los electrones y huecos en BP dependen significativamente de la dirección cristalina, lo que hace que el material sea aún más interesante para el diseño de dispositivos electrónicos y fotónicos de alto rendimiento.

Es fundamental comprender que la integración de materiales bidimensionales como h-BN y BP en dispositivos semiconductores y optoelectrónicos no solo mejora sus características de rendimiento, sino que también abre nuevas posibilidades en el diseño de circuitos fotónicos a escala nanométrica. La capacidad de manipular la interacción de la luz con estos materiales de manera precisa a nivel atómico podría llevar a la creación de dispositivos más eficientes y avanzados para el procesamiento de información cuántica y la tecnología fotónica. Las investigaciones futuras deberán enfocarse en comprender cómo los defectos, las impurezas y la manipulación del grosor de los materiales afectan las propiedades electrónicas y ópticas, con el objetivo de desarrollar sistemas aún más efectivos y adaptables para aplicaciones tecnológicas avanzadas.

¿Cómo los semiconductores 2D mejoran la eficiencia de las pilas de combustible y las células solares?

Debido al uso de electrolitos líquidos, existen diversas limitaciones en los sistemas de pilas de combustible, tales como los riesgos para la seguridad y la baja movilidad iónica. Por estas razones, las pilas de combustible de una sola capa, o las pilas sin capa de electrolito, han ganado atención en el campo de la investigación. Siguiendo esta línea, investigadores como Ganesh et al. diseñaron una pila de combustible utilizando una unión de semiconductores, con materiales como LiCoO2 y SnO2 en forma de películas delgadas de semiconductores 2D. El polvo de SnO2 fue sintetizado mediante un método de co-precipitación, y una vez preparado, se combinó con LiCoO2 para fabricar una pila de combustible tipo p-n utilizando el método de pulverización catódica por magnetrón.

Este nuevo enfoque en pilas de combustible sin electrolito ha mostrado un rendimiento prometedor. Las celdas de combustible con unión p-n, tanto en configuración plana como en configuración heterounión, han alcanzado densidades de potencia máximas de 0.61 W/cm², 0.82 W/cm² y 0.30 W/cm², respectivamente. A diferencia de las celdas de combustible convencionales, que dependen de electrolitos líquidos, estas pilas sin electrolito evitan problemas como la pérdida de electrones dentro del dispositivo y los cortocircuitos, mejorando así su estabilidad y rendimiento.

El desarrollo de materiales con alta conductividad iónica y durabilidad es esencial para mejorar la eficiencia de las pilas de combustible, lo que lleva a una investigación constante de nuevos electrolitos. Por ejemplo, Shah et al. diseñaron un electrolito basado en LaSrTCrCeO3, sintetizado a través de la técnica sol-gel, que mostró una conductividad iónica notable de 0.16 S/cm a una temperatura de operación baja de 520°C. Este material mostró un rendimiento de hasta 1031 mW/cm², lo que evidencia el avance hacia el desarrollo de electrolitos de bajo temperatura para pilas de combustible.

Asimismo, otros investigadores han explorado la creación de electrolitos compuestos derivados de Al2O3 amorfo para pilas de combustible de estado sólido. Estos compuestos mostraron una conductividad iónica de 0.127 S/cm, alcanzando una densidad de potencia máxima de 1017 mW/cm² a una temperatura operativa de 550°C. El estudio reveló que, debido a la banda ancha del material aislante de alúmina, se formó una barrera potencial en las interfaces heteroestructuradas, lo cual ayudó a restringir la conducción electrónica y promovió el transporte iónico, lo que benefició al rendimiento global de la celda de combustible.

Estos avances en el desarrollo de pilas de combustible sin electrolitos líquidos sugieren que los materiales cerámicos y de óxidos sólidos podrían superar muchas de las limitaciones de las pilas de combustible comerciales, lo que a su vez abriría nuevas posibilidades para la generación de energía de alta eficiencia con emisiones mínimas de contaminación. A medida que el mundo se enfrenta a una creciente demanda energética, las pilas de combustible de estado sólido podrían ser una tecnología clave para satisfacer esas necesidades, ofreciendo eficiencia energética, flexibilidad en el uso de combustibles y una baja huella ambiental.

El diseño y desarrollo de células solares también se beneficia de la investigación en materiales semiconductores 2D, que han emergido como una de las mejores alternativas para mejorar la eficiencia de la conversión de energía solar. Las células solares, que convierten la radiación solar directamente en electricidad, se dividen generalmente en dos categorías principales: las células solares convencionales y las células solares excitónicas (XSCs). Estas últimas se caracterizan por su capacidad para mejorar las propiedades fotoquímicas y fotovoltaicas gracias a nuevos materiales semiconductores 2D que ofrecen una movilidad de portadores excepcional y una gran capacidad de absorción de luz.

En este contexto, materiales como Sb2TeSe2, sintetizados en forma de monolayer 2D, han demostrado ser candidatos ideales para su uso en células solares excitónicas. Estas estructuras 2D no solo son estables térmica, mecánica y químicamente, sino que también poseen una brecha de banda moderada que las hace aptas para la absorción de luz en todo el espectro solar. Investigaciones recientes sobre estas estructuras han revelado que las células solares híbridas basadas en heterouniones de Sb2TeSe2 y materiales como HfS2 o BiOI pueden alcanzar eficiencias de conversión de potencia de hasta el 22.5%, lo que las convierte en una opción prometedora para aplicaciones fotovoltaicas.

Además de estos avances, las estructuras Janus, como MoSSe y grafeno, han mostrado un interés creciente debido a sus propiedades únicas. Estas estructuras poseen un amplio margen de absorción en las regiones de luz visible y UV, lo que las convierte en materiales muy atractivos para aplicaciones fotocatalíticas. Los dispositivos híbridos basados en estas estructuras han alcanzado eficiencias de conversión de hasta el 21.04%. Por lo tanto, la investigación en materiales Janus y otras estructuras 2D debería seguir siendo una prioridad para el desarrollo de células solares más eficientes.

A medida que los investigadores continúan explorando nuevas formas de combinar materiales 2D con materiales 3D en células solares, como en las células solares perovskitas, el potencial para mejorar la estabilidad y la eficiencia energética sigue siendo alto. Estas nuevas configuraciones podrían ofrecer la oportunidad de superar muchas de las limitaciones actuales en las células solares convencionales y excitónicas, ofreciendo una forma más sostenible y rentable de aprovechar la energía solar.

¿Qué impulsa el apoyo a Donald Trump en 2016? Un análisis psicológico y demográfico
¿Cómo identificar las creencias negativas y positivas durante una sesión de EMDR?
¿Cómo la figura de Trump y sus decisiones han moldeado la política estadounidense?