Los materiales bidimensionales (2D) han emergido como una clase de materiales de gran potencial para aplicaciones de almacenamiento de energía, especialmente debido a sus propiedades únicas de conductividad, movilidad de portadores de carga y capacidad de modificación estructural. Entre estos materiales, se destacan los materiales 2D semiconductores como los compuestos de disulfuro de molibdeno (TMDC), los MXenes, el fósforo negro (BP), los óxidos metálicos de transición en capas, y el nitruro de boro (BN), cada uno con aplicaciones prometedoras en sistemas de almacenamiento de energía.

Los TMDCs (compuestos de disulfuro de molibdeno) son conocidos por su capacidad de conducción de electrones rápida, lo que les permite realizar ciclos de carga y descarga rápidos, además de presentar una alta densidad de potencia. En aplicaciones como baterías y supercondensadores, los TMDCs optimizan la capacidad de almacenamiento y mejoran la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos, gracias a su estructura de banda ajustable y alta movilidad de portadores de carga. En las baterías, su capacidad de ionización rápida y su estructura laminar permiten una alta eficiencia durante los ciclos de carga, lo que contribuye a una mayor vida útil de los dispositivos.

Los MXenes, una clase de materiales 2D obtenidos mediante el grabado selectivo de fases MAX, también han ganado relevancia. Su conductividad metálica les otorga una excelente capacidad para la transmisión de electrones y para los rápidos ciclos de carga y descarga. Su estructura laminar, que presenta un espacio intercapas significativo, favorece la difusión de iones, facilitando tanto la intercalación/desintercalación de iones en baterías como la adsorción/desorción en supercondensadores. Además, sus superficies funcionalizables permiten modificar sus propiedades para mejorar la estabilidad y la capacidad de almacenamiento. Entre los MXenes más destacados se encuentra el Ti3C2Tx, que ha mostrado un gran potencial como material de electrodo debido a su alta conductividad eléctrica y su capacidad para interactuar eficazmente con electrolitos acuosos.

El fósforo negro (BP) es otro material bidimensional que ha demostrado ser prometedor para aplicaciones de almacenamiento de energía, especialmente en baterías. Su estructura laminar permite una difusión de iones eficiente y su gran área superficial facilita las reacciones electroquímicas, contribuyendo a una alta capacidad de almacenamiento de energía. El BP presenta una alta movilidad de portadores de carga, lo que se traduce en ciclos rápidos de carga y descarga, y su banda de energía ajustable permite la optimización de sus niveles energéticos para diversas aplicaciones. Su alta densidad energética lo hace adecuado para aplicaciones que requieren una gran cantidad de almacenamiento en un espacio compacto.

Los óxidos metálicos de transición en capas son materiales que combinan cationes de metales de transición entre capas de óxido, lo que les otorga propiedades únicas. Estos materiales facilitan la intercalación y desintercalación de iones, permitiendo un transporte eficiente de los mismos y contribuyendo a una alta capacidad de almacenamiento de energía. La estabilidad estructural de los óxidos durante los ciclos de carga y descarga asegura su durabilidad en sistemas de almacenamiento de energía a largo plazo. Los óxidos de cobalto, níquel y manganeso, como el LiCoO2, LiNiMnCoO2 y Na-NCA, son ejemplos prominentes de materiales que se investigan para su uso como materiales catódicos en baterías de iones de litio debido a su alta capacidad y estabilidad.

El nitruro de boro (BN) es otro material bidimensional conocido por sus excelentes propiedades de aislamiento térmico y eléctrico. Aunque se utiliza principalmente en aplicaciones donde se requiere aislamiento, también ha mostrado un gran potencial en el almacenamiento de energía. BN mejora el rendimiento y la seguridad de las baterías cuando se utiliza como aditivo en los electrolitos, ayudando a su estabilidad, suprime reacciones secundarias no deseadas y mejora la durabilidad general de los dispositivos. Además, los materiales basados en BN han sido investigados para su uso como electrodos en supercondensadores, demostrando altas capacidades de capacitancia y tasas rápidas de carga y descarga.

Una de las áreas más innovadoras de la investigación actual son las heterouniones 2D-2D de semiconductores, que combinan dos materiales 2D semiconductores diferentes para mejorar el rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía. Estas heterouniones permiten una separación y transporte de carga más eficientes gracias a la alineación controlada de las bandas de energía entre los materiales, lo que reduce la recombinación y mejora la cinética de almacenamiento de carga. La combinación de materiales con diferentes anchos de banda puede permitir una absorción más amplia del espectro electromagnético, lo que mejora la capacidad de captación de luz en dispositivos fotovoltaicos. En sistemas como baterías y supercondensadores, estas heterouniones mejoran propiedades clave como la difusión de iones, la reactividad superficial y la capacitancia, resultando en un rendimiento superior del dispositivo.

Además de las propiedades descritas de cada material, es importante considerar su comportamiento a largo plazo en condiciones reales de uso. La estabilidad, la capacidad de adaptación y la escalabilidad son factores críticos a medida que se busca integrar estos materiales en dispositivos comerciales de almacenamiento de energía. La manipulación de las propiedades de los materiales 2D a través de técnicas de ingeniería de superficies y diseño de estructuras heterogéneas abre nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia, la durabilidad y la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía.

¿Cómo afectan los excitones y triones en las estructuras de materiales 2D a las propiedades electrónicas y ópticas?

Los excitones y triones son fundamentales en el estudio de los materiales semiconductores bidimensionales (2D), en particular en los compuestos de disulfuro de molibdeno (MoS2) y diseleniuro de molibdeno (MoSe2) integrados en heteroestructuras. Estos fenómenos cuánticos son claves para comprender las interacciones electrónicas que ocurren en estas estructuras, las cuales abren nuevas posibilidades en la óptica no lineal y la electrónica cuántica, especialmente en materiales de capas atómicas delgadas (TMDCs, por sus siglas en inglés).

Un excitón se forma cuando un electrón en el semiconductor es excitado a un estado de mayor energía, dejando atrás un "hueco" positivo, que atrae al electrón en una relación ligada. En los sistemas 2D, la energía de unión del excitón es relativamente alta debido a las interacciones fuertes en estas estructuras delgadas. Un trión, que es una extensión del excitón, involucra un excitón acompañado por un portador adicional, ya sea un electrón o un hueco, lo que introduce un tercer cuerpo en la interacción. En este contexto, los triones pueden tener una energía de unión aproximadamente de 17 meV, lo que coincide estrechamente con la energía de unión predicha teóricamente para el biexcitón.

La investigación reciente ha destacado que los biexcitones en sistemas de TMDCs tienen configuraciones complejas, que incluyen tanto excitones brillantes como oscuros, los cuales son diferenciados por sus comportamientos ópticos, como la polarización del valle y la inversión en la intensidad de la fotoluminiscencia (PL). Estos estudios se centran en el control electrostático eficiente mediante la técnica de "gating" eléctrico, que permite la transición entre la dopagem de huecos y electrones, lo que a su vez facilita la comprensión de los estados excitónicos.

En las heteroestructuras de van der Waals (vdWs), que están formadas por la apilación de materiales 2D atómicamente delgados, las interacciones entre las capas no solo dependen de las propiedades de cada monolámina, sino también de los efectos emergentes de la interacción entre las capas. En estos sistemas, los excitones intercapas juegan un papel crucial. El descubrimiento de excitones intercapas ha sido fundamental para entender la transferencia rápida de carga entre capas y la persistencia de la polarización de espín y valle en los portadores residentes. Estos excitones pueden exhibir una intensidad de fotoluminiscencia significativamente aumentada cuando se excitan, especialmente en heteroestructuras MoSe2/WSe2, un caso de estudio destacado que ha revelado resonancias adicionales por debajo de los excitones intralámina.

Además, la introducción de superredes moiré, formadas por la desalineación o el desajuste de la malla de dos materiales 2D, crea una estructura periódica que manipula las propiedades electrónicas y ópticas de las heteroestructuras vdWs. Estos patrones moiré permiten controlar la banda electrónica y las propiedades ópticas del sistema al modificar el ángulo de torsión entre las capas, lo que ofrece una nueva dimensión de control en la emisión y absorción de luz. Este fenómeno también conecta con los excitones atrapados en las superredes moiré, los cuales tienen una dinámica excitónica distinta que puede aprovecharse en dispositivos ópticos y fotónicos avanzados.

El estudio de los excitones y triones en los materiales 2D es de vital importancia para el desarrollo de nuevas tecnologías en óptica no lineal y optoelectrónica cuántica. Estos fenómenos ofrecen una forma de manipular las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales a un nivel extremadamente preciso, abriendo la puerta a aplicaciones futuras en dispositivos de alta eficiencia y sensibilidad, como los transistores de efecto de campo (FET) y los sistemas de almacenamiento cuántico.

Para comprender completamente el impacto de los excitones en las heteroestructuras 2D, es esencial considerar cómo las propiedades electrónicas de estos materiales pueden ser manipuladas no solo por su composición, sino también por la forma en que las capas de materiales diferentes se alinean y apilan. El control preciso de las interacciones entre capas, la orientación de los materiales y las condiciones de dopaje electrostático pueden alterar significativamente el comportamiento óptico y electrónico, lo que permite nuevas formas de controlar la emisión de luz y la conducción eléctrica en dispositivos cuánticos. Es fundamental que los investigadores sigan explorando cómo la geometría de apilamiento de materiales 2D afecta las propiedades del excitón y trión, lo que podría proporcionar el camino hacia dispositivos más eficientes y avanzados.

¿Por qué los dispositivos basados en semiconductores de óxido metálico (MOS) siguen siendo fundamentales para las tecnologías emergentes?

Los dispositivos basados en semiconductores de óxido metálico (MOS) han experimentado una expansión significativa en aplicaciones técnicas a lo largo de los últimos veinte años. Aunque comúnmente se utilizan en tecnologías de consumo masivo y pantallas planas, su alcance no se limita a estas áreas tradicionales. Este fenómeno se debe a las notables ventajas de los MOS, como su alta movilidad de portadores, su capacidad para operar a voltajes elevados y su capacidad para ser fabricados a bajo costo. Sin embargo, el potencial de estos dispositivos va mucho más allá de lo que se ve en las aplicaciones convencionales. En este capítulo, se exploran los principios subyacentes de los dispositivos MOS, desde su creación hasta su evolución actual, destacando las nuevas aplicaciones que continúan revolucionando diversas industrias.

El desarrollo de dispositivos MOS ha seguido una línea clara que comienza con los transistores de película delgada (TFT, por sus siglas en inglés) para pantallas planas (FPD). Aunque los TFT basados en MOS continúan siendo la columna vertebral de muchas de las pantallas modernas, es en los dispositivos emergentes donde se encuentra el verdadero potencial transformador. Estos dispositivos tienen aplicaciones en áreas como la fotocatálisis, la fotovoltaica, la computación avanzada y los sistemas de inteligencia artificial neuromórfica, los cuales son esenciales en el desarrollo de sociedades inteligentes.

El proceso de síntesis de un MOS es fundamental para comprender sus propiedades electrónicas. Este se lleva a cabo principalmente mediante dos métodos: el método de fase vapor y el método de fase líquida. Ambos métodos tienen un impacto directo en la calidad de la estructura del material y, por ende, en el rendimiento del dispositivo MOS resultante. Además, los dispositivos MOS se caracterizan por su gran versatilidad. Su capacidad para adaptarse a diversas aplicaciones, desde pantallas planas hasta sensores de alta sensibilidad, los convierte en una opción preferente en tecnologías emergentes.

El transistor de película delgada de óxido metálico es, sin duda, una de las aplicaciones más conocidas. Estos transistores se emplean en la fabricación de pantallas planas y dispositivos de visualización, donde los MOS ofrecen una excelente estabilidad y una alta movilidad de portadores. A medida que la demanda de pantallas más delgadas y con mayor resolución aumenta, los MOS continúan desempeñando un papel crucial en la industria de la visualización.

En cuanto a las aplicaciones de sensores, la capacidad de los dispositivos MOS de ser fabricados en grandes cantidades a bajo costo, junto con su sensibilidad a los cambios en el entorno, los convierte en una opción atractiva para el monitoreo de condiciones ambientales. Estos dispositivos pueden detectar variaciones en la temperatura, la humedad, los gases y otros factores externos, lo que los hace esenciales para el desarrollo de sistemas de monitoreo en tiempo real.

Sin embargo, la mayor relevancia de los MOS está en sus aplicaciones más avanzadas. Por ejemplo, en el campo de la computación y la inteligencia artificial, los MOS están siendo utilizados en la creación de dispositivos que imitan el comportamiento de las redes neuronales biológicas. Estos dispositivos, conocidos como sistemas neuromórficos, son fundamentales en la evolución de las máquinas inteligentes, que son capaces de aprender y adaptarse de manera autónoma a los cambios en su entorno.

Además, la investigación sobre las propiedades ópticas, eléctricas, térmicas y mecánicas de los materiales 2D basados en MOS ha abierto nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos con propiedades mejoradas. Estos materiales pueden ser utilizados no solo en transistores, sino también en otros dispositivos que requieren una alta eficiencia energética o un control preciso de las propiedades electrónicas. La incorporación de capas atómicas de materiales 2D, como el disulfuro de molibdeno (MoS2) o el diseleniuro de tungsteno (WSe2), ha permitido obtener estructuras con propiedades electrónicas y térmicas excepcionales.

Por último, la evolución de la técnica de dopaje en materiales basados en óxido metálico ha permitido mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos MOS. El dopaje de materiales como el MoS2 ha demostrado ser esencial para ajustar las propiedades electrónicas y mejorar la eficiencia de los dispositivos. Este avance se ha traducido en mejoras en la eficiencia de los transistores, lo que a su vez ha llevado a un aumento en el rendimiento de dispositivos como los transistores de efecto de campo (FET).

A pesar de todos estos avances, es importante comprender que los dispositivos MOS no son una solución definitiva para todos los problemas. Su rendimiento y aplicabilidad dependen en gran medida de los materiales utilizados, el proceso de fabricación y las condiciones operativas. Es crucial, por lo tanto, seguir investigando y perfeccionando estas tecnologías para abordar los desafíos que aún persisten, como la mejora de la estabilidad y la eficiencia a largo plazo de los dispositivos.

¿Cómo influyen los defectos y la densidad en los memristores basados en materiales 2D?

En la investigación sobre memristores, es común que se pase por alto la influencia de propiedades fundamentales de los materiales, tales como el tipo de defecto y su densidad. Estos factores, cruciales para el rendimiento de los dispositivos, a menudo no reciben la atención necesaria en los estudios previos, lo que limita el entendimiento completo de los mecanismos subyacentes en los memristores. Además, la comprensión de los mecanismos de cambio de resistencia (RS, por sus siglas en inglés) se ha basado mayormente en la experiencia previa con memristores convencionales, pero este enfoque puede no ser completamente aplicable a los sistemas de materiales bidimensionales (2D), que presentan características y comportamientos únicos.

Los memristores fabricados a partir de materiales 2D tienen un gran potencial, pero también enfrentan desafíos técnicos. La estructura atómica de estos materiales puede ser extremadamente sensible a los defectos, los cuales pueden alterar significativamente sus propiedades eléctricas. Estos defectos pueden generar sitios adicionales de resistencia en el material, creando un espacio para que se forme un estado de resistencia alta o baja, según el tipo de defectos presentes. Sin embargo, la relación entre el tipo de defectos y el comportamiento de conmutación de la resistencia no se entiende completamente, lo que deja mucho margen para el avance en esta área.

Una de las características más notables de los memristores basados en materiales 2D es la influencia de los límites de grano y las interfaces atómicas. Estos factores son fundamentales en materiales como el MoS2, donde las fronteras entre los granos pueden modular el comportamiento resistivo de manera significativa. En los sistemas 2D, es esencial comprender cómo las imperfecciones a nivel atómico pueden habilitar o deshabilitar ciertos mecanismos de conmutación resistiva. Es un campo en constante evolución que requiere verificación detallada a través de experimentos y modelos que tengan en cuenta las especificidades de los materiales en cuestión.

Además, el comportamiento sináptico, relacionado con la memoria a largo plazo y la adaptación en sistemas neuromórficos, también se ve profundamente afectado por estas imperfecciones estructurales. En los materiales 2D, el tipo y la densidad de los defectos pueden inducir un comportamiento sináptico no volátil, que es ideal para la emulación de procesos cerebrales y el desarrollo de computación neuromórfica. La comprensión de estos efectos en materiales como el WS2, MoS2 o incluso el fósforo negro es crucial para desarrollar dispositivos más eficientes y con mayor capacidad de adaptación.

Es importante señalar que, aunque se ha hecho un progreso significativo en la investigación de memristores a partir de materiales 2D, el campo sigue siendo relativamente nuevo y se encuentra en una fase experimental. Los avances futuros probablemente involucren la manipulación precisa de la estructura atómica de estos materiales para optimizar su comportamiento resistivo, y la exploración de defectos como un medio para mejorar la funcionalidad de los dispositivos. El reto radica en comprender cómo los defectos interactúan en el nivel atómico y cómo estos pueden ser utilizados a favor de la mejora del rendimiento de los memristores en aplicaciones prácticas.

En resumen, aunque la investigación en memristores 2D está avanzando, todavía queda mucho por explorar y descubrir en cuanto a la influencia de los defectos y la densidad de estos materiales. Las investigaciones futuras deberán centrarse en la optimización de la estructura atómica, la mejora del control sobre los defectos y su aplicación en dispositivos electrónicos más eficientes.

¿Cómo reducir la huella ambiental mediante hábitos sostenibles en el consumo y la conservación?
¿Cómo influyen los nanofluidos en la fricción y la rugosidad superficial en el mecanizado?
¿Cómo se maneja la lesión renal aguda en pacientes con insuficiencia cardíaca y otras comorbilidades?
¿Cómo interpretar la lucha interna de Hamlet?