Las heteroestructuras vdW (Van der Waals) han emergido como un campo clave en la investigación de materiales semiconductores bidimensionales (2D), ofreciendo nuevas perspectivas para el diseño de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de alto rendimiento. Estas estructuras se forman mediante la apilación de materiales 2D que interactúan entre sí a través de fuerzas de Van der Waals, sin necesidad de un contacto directo entre sus redes atómicas. Este enfoque permite superar problemas tradicionales como la desalineación de las redes en materiales convencionales, abriendo la puerta a innovaciones tecnológicas.

Uno de los principales beneficios de las heteroestructuras vdW es la mejora en las propiedades electrónicas y ópticas de los dispositivos. Por ejemplo, las interacciones entre las capas 2D pueden estimular las superficies de los materiales de manera más eficiente frente a la luz, lo que resulta en propiedades electrónicas superiores y una mejor compatibilidad entre los materiales en dispositivos ópticos y electrónicos. La combinación de grafeno con semiconductores 2D, como los materiales TMDC (dicalcogenuros de metales de transición), ha mostrado un gran potencial para superar las limitaciones del grafeno, particularmente su falta de un bandgap, un factor crítico para aplicaciones de optoelectrónica.

El uso de materiales 2D en heteroestructuras no solo mejora la movilidad de los portadores de carga, sino que también incrementa la absorción óptica, amplia la respuesta espectral, reduce la corriente oscura y mejora el tiempo de respuesta. Estos avances son cruciales para aplicaciones como células solares, fotodetectores y transistores de efecto de campo, donde la precisión y la rapidez son esenciales. Las heteroestructuras vdW se pueden clasificar según el alineamiento de sus bandas electrónicas, que influye directamente en el rendimiento de los dispositivos. Por ejemplo, en aplicaciones de emisión de luz, se prefiere un alineamiento de tipo I (straddling type), mientras que para la fotodetección sensible, el tipo II (staggered type) es más común. En aplicaciones de dispositivos de bajo consumo, el alineamiento de tipo III (broken-gap type) se utiliza, especialmente en transistores de efecto de campo con túneles.

El apilamiento mecánico de materiales 2D, como se demuestra en el trabajo de Dean et al., ha permitido crear dispositivos de grafeno sobre capas de h-BN (hexagonal boron nitride) con una movilidad de portadores superior, mínima dopaje y alta estabilidad química. Estos dispositivos resultaron ser mucho más eficientes que los construidos sobre otros sustratos tradicionales como SiO2 o Ge. La técnica de apilamiento también ha sido utilizada para crear heteroestructuras con materiales como MoSe2/WSe2 o NbTe2/WSe2, mostrando una excelente respuesta en aplicaciones de optoelectrónica.

Además, la creación de heteroestructuras verticales o laterales usando materiales 2D abre nuevas oportunidades para el diseño de dispositivos más compactos y eficientes. Por ejemplo, las estructuras MoSe2/WS2 diseñadas para células solares sensibilizadas por tintes (DSSCs) y para la evolución de hidrógeno, reemplazan electrodos costosos de platino por una alternativa más económica y eficiente. Este tipo de diseño también se ha extendido a dispositivos de detección de luz, como se demuestra en el p–n diodo de fósforo negro, que presenta una excelente respuesta fotoeléctrica.

Por otro lado, la interacción luz-materia es crucial para las aplicaciones optoelectrónicas, y las polaritones generados en los TMDCs 2D pueden mejorar estas interacciones, aunque principalmente en longitudes de onda más largas. En este sentido, se han propuesto diversas estrategias para sintonizar los alineamientos de bandas y maximizar las interacciones luz-materia entre las capas 2D.

Otro aspecto importante es el uso de materiales como h-BN y sus propiedades aislantes y de alta estabilidad, lo que los convierte en candidatos ideales para sustituir al grafeno en algunos dispositivos. Su ancha banda prohibida también los hace útiles en aplicaciones de dispositivos de alta voltaje y electrónica avanzada. Además, los MXenes, que son materiales bidimensionales compuestos por capas de metales de transición, están mostrando un potencial significativo cuando se combinan con otros semiconductores 2D, lo que podría conducir a desarrollos emocionantes en el futuro cercano.

Aunque la investigación sobre heteroestructuras vdW está en constante avance, la mayoría de los estudios actuales se centran en técnicas de fabricación de alta precisión, lo que requiere esfuerzos sustanciales en términos de nanofabricación. Si bien estos avances han dado lugar a dispositivos con propiedades destacadas, la adopción de métodos más automatizados y eficientes en la construcción de heteroestructuras puede acelerar aún más el progreso en este campo. Esto permitirá una mayor accesibilidad y aplicaciones de estos dispositivos avanzados en el mercado.

Es fundamental entender que, aunque la capacidad de apilar materiales 2D con precisión abre nuevas posibilidades, la optimización de estas estructuras requiere de un manejo cuidadoso de las propiedades electrónicas, ópticas y térmicas de los materiales involucrados. La creación de dispositivos óptimos no solo depende de la elección de materiales adecuados, sino también de su disposición correcta y la comprensión de cómo sus propiedades cambian al interactuar a nivel de capa atómica. La capacidad de diseñar y manipular heteroestructuras con precisión determinará el impacto de estas tecnologías en las aplicaciones del futuro.

¿Cuáles son las propiedades y desafíos de los materiales bidimensionales para aplicaciones termoeléctricas?

La síntesis de siliceno en diferentes sustratos como MoS₂, ZrB₂, Ir, Ag y ZrC ha impulsado una intensa investigación sobre sus propiedades fundamentales y posibles aplicaciones en dispositivos tecnológicos. En particular, se ha explorado su uso en efectos termoeléctricos, superconductividad, transistores de efecto túnel, filtros de espín, y sensores de gas, entre otros fenómenos cuánticos como el efecto Hall anómalo cuántico y el efecto Hall cuántico de espín y valle. El siliceno, debido a su banda prohibida casi nula, tiene la capacidad de alcanzar una alta conductividad eléctrica ajustable mediante dopaje, similar al grafeno, aunque esta propiedad depende directamente del nivel y tipo de dopaje aplicado.

Un aspecto crucial que destaca al siliceno frente al grafeno es su menor conductividad térmica, atribuida a su mayor masa atómica y a un enlace interatómico más blando, lo que lo hace más prometedor para aplicaciones termoeléctricas (TE). Simulaciones con métodos como funciones de Green no equilibradas y dinámica molecular han demostrado que nanocintas de siliceno con bordes pasivados con hidrógeno presentan un alto factor de mérito termoeléctrico (ZT). Particularmente, las nanocintas con bordes de tipo armchair superan en eficiencia a las de tipo zigzag, con oscilaciones dependientes del ancho para las primeras y una disminución progresiva del ZT para las segundas. Además, la temperatura juega un papel fundamental en el desempeño termoeléctrico, con valores máximos de ZT que podrían alcanzar hasta 4.9 mediante una adecuada optimización del dopaje y la temperatura.

Estudios ab initio han confirmado que a condiciones ambientales el ZT máximo puede llegar a 2.5. La constante de Seebeck (S) en siliceno intrínseco a temperatura ambiente se estima en alrededor de 80 µV/K y se muestra relativamente insensible a variaciones térmicas. La aplicación de un campo eléctrico perpendicular puede inducir una apertura significativa en la banda prohibida, aumentando notablemente el coeficiente de Seebeck. Asimismo, la manipulación controlada de defectos en los bordes puede mejorar aún más el rendimiento termoeléctrico.

Siliceno permite la conducción termoeléctrica diferenciada por valle y espín, debido a que su estructura electrónica presenta polarización de espín en diferentes valles. Esta relación entre los grados de libertad de valle y espín posibilita la inyección de corrientes puras de espín y valle bajo un sesgo térmico, abriendo posibilidades para dispositivos termoeléctricos multifuncionales basados en spintrónica y valletrónica.

El desarrollo de materiales termoeléctricos que operen eficientemente cerca de la temperatura ambiente sigue siendo un desafío, especialmente en vista de la escasez y alto costo de elementos como el telurio usados en compuestos tradicionales como Bi₂Te₃. En este contexto, materiales como el penta-siliceno, recientemente sintetizado sobre superficies de plata (Ag (110)), emergen como prometedores, exhibiendo valores de ZT de 3.4 y 3.0 para concentraciones de portadores de carga tipo hueco y electrón, respectivamente, a temperatura ambiente.

El interés creciente también se extiende a otros materiales bidimensionales como el fosforeno, que destaca por su estructura en capas arrugadas y una amplia gama de aplicaciones electrónicas, optoelectrónicas y termoeléctricas. El fosforeno negro y azul han sido objeto de estudios teóricos y simulaciones, que reportan valores variables de ZT, con predicciones alentadoras para el fosforeno azul, el cual podría alcanzar hasta 2.5 a temperaturas elevadas, posicionándose como un candidato de alta eficiencia para tecnologías termoeléctricas de próxima generación.

No obstante, las limitaciones de los materiales bidimensionales son evidentes. A pesar de avances en la comprensión de sus mecanismos de transporte electrónico y de fonones, aún no se ha logrado un entendimiento completo del impacto que tiene la interfaz en su desempeño termoeléctrico. Además, la mayoría de estos materiales presenta un rendimiento termoeléctrico inferior al de sus equivalentes en estado sólido tridimensional, en parte debido a la dificultad de controlar el dopaje químico de manera precisa durante su fabricación. Otro factor limitante es su alta conductividad térmica intrínseca, especialmente en materiales como grafeno, TMDCs y hBN, lo que contrarresta el efecto termoeléctrico pero, paradójicamente, los hace ideales para aplicaciones de enfriamiento local en puntos calientes electrónicos.

La demanda creciente por dispositivos electrónicos flexibles y portátiles ha incrementado el interés en materiales termoeléctricos en forma de películas delgadas. La combinación de propiedades eléctricas superiores y flexibilidad mecánica convierte a los materiales 2D y sus compuestos en candidatas prometedoras para componentes termoeléctricos avanzados. Sin embargo, medir con precisión su conductividad térmica en esta forma sigue siendo un desafío técnico significativo.

Comprender la relación entre estructura atómica, defectos, dopaje y propiedades termoeléctricas en estos materiales bidimensionales es esencial para avanzar en el diseño de dispositivos eficientes. Además, la interacción entre espín, valle y carga no solo influye en la conducción eléctrica sino que abre nuevas vías para manipular flujos de energía y corriente en escala nanométrica, ampliando el horizonte para aplicaciones en tecnologías energéticas y electrónicas avanzadas.

¿Cómo se fabrican y aplican los dispositivos de semiconductores de óxidos metálicos (MOS) en la tecnología moderna?

La interacción química entre las moléculas gaseosas del vapor y la superficie del sustrato define el principio fundamental de los métodos de deposición en fase de vapor, conocidos comúnmente como CVD. Este conjunto de técnicas incluye variantes como la deposición en capas atómicas (ALD), CVD a presión atmosférica, CVD a baja presión y CVD asistido por plasma. CVD permite un control preciso sobre la morfología y los defectos de las películas delgadas, además de facilitar la formación de heterouniones, lo que lo convierte en un método indispensable para la producción a gran escala. Sin embargo, la generación de subproductos peligrosos representa un desafío ambiental y técnico considerable.

Los procesos basados en vacío, como el sputtering, la evaporación térmica y la evaporación mediante haz de electrones, complementan las técnicas CVD. En el sputtering, partículas del material objetivo se extraen mediante plasma y se depositan sobre el sustrato, produciendo películas con excelente adherencia y homogeneidad. Por otro lado, la evaporación térmica y por haz de electrones permite el uso de materiales diversos con un consumo mínimo, mientras que ALD crea películas ultra delgadas a nivel atómico, eliminando casi por completo defectos como los poros y problemas de cobertura escalonada.

Frente a estas metodologías, el método en fase líquida ha emergido como una alternativa altamente competitiva por su eficiencia económica, adaptabilidad a grandes áreas y viabilidad para la producción masiva. Las soluciones se preparan combinando precursores de óxidos metálicos con solventes adecuados, ajustando su viscosidad y composición. Se pueden incorporar catalizadores o inclusiones para optimizar la disolución del precursor. Entre los precursores utilizados están los polvos metálicos simples, así como acetatos, cloruros, sulfatos y nitratos, los cuales pueden formar soluciones coloidales tipo sol-gel o complejos organometálicos encapsulados en materiales como los alcoxidos o carboxilatos. Estas soluciones favorecen reacciones de condensación e hidrólisis que facilitan la deposición del óxido metálico.

El método en solución ha cobrado gran interés en los últimos años, con técnicas como el spin coating, spray coating, blade coating, impresión flexográfica e impresión por inyección de tinta. La principal ventaja de estos procesos radica en la baja temperatura de recocido, permitiendo la fabricación de dispositivos flexibles y fácilmente imprimibles. Ejemplo de ello es la producción de películas delgadas de In–Ga–Zn–O (IGZO) a temperaturas tan bajas como 300 °C.

Los dispositivos de óxidos metálicos-semiconductores (MOS) destacan por su movilidad electrónica elevada, resistencia química, transparencia óptica y facilidad de fabricación, lo que los convierte en elementos clave para tecnologías de pantallas y sensores. A pesar de su uso consolidado en transistores de película delgada (TFTs) para retroplanes de pantallas de cristal líquido y pantallas OLED, su potencial aún no ha sido plenamente explorado en aplicaciones como sensores biológicos o dispositivos de memoria.

En TFTs, materiales como IGZO y ZnO predominan por su rendimiento superior. Gracias a su composición multi-elemental, es posible modificar sus propiedades eléctricas ajustando la estructura cristalina o la densidad de portadores, optimizando así el coeficiente Seebeck y logrando una mayor sensibilidad al entorno. La alta energía de banda prohibida de los MOS permite bajos niveles de corriente de fuga, alta tolerancia a voltajes y transparencia a la luz visible. Además, su estabilidad química en condiciones atmosféricas simplifica los procesos de fabricación, permitiendo el uso de técnicas de baja temperatura como el recocido térmico suave o la deposición por sputtering sin necesidad de calor extremo.

La fabricación en sustratos flexibles y a gran escala con técnicas de impresión reduce los costos y abre la posibilidad de estructuras tridimensionales. Esto habilita nuevas aplicaciones industriales, especialmente en dispositivos de potencia, donde la alta movilidad de portadores y la tolerancia a altos voltajes son cruciales. Por ejemplo, se han propuesto transistores BEOL (Back-End-Of-Line) con IGZO tipo n y SnO tipo p, capaces de funcionar con voltajes superiores a 40 V y temperaturas de procesamiento tan bajas como 104 °C.

En el ámbito sensorial, los dispositivos de película delgada basados en MOS permiten ajustar la densidad de portadores para detectar variaciones de conductividad inducidas por el entorno, facilitando la creación de sensores altamente sensibles. La flexibilidad de los sustratos y la posibilidad de apilar capas funcionales con sistemas de control integrados refuerzan su versatilidad.

Particularmente en el desarrollo de biosensores, los MOS han demostrado ser fundamentales en la evolución hacia sensores capaces de ofrecer diagnósticos precisos, monitoreo en tiempo real y detección precoz de enfermedades. Se emplean tanto métodos invasivos como no invasivos para el diagnóstico de cáncer, virus, trastornos neurológicos, diabetes y depresión. La evaluación de un biosensor se basa en su selectividad, sensibilidad, estabilidad y reproducibilidad en condiciones variables. Estas cualidades los han convertido en componentes esenciales en los sectores sanitario, ambiental, químico, agrícola y energético, especialmente por la necesidad creciente de monitoreo continuo y preciso en tiempo real.

Es fundamental considerar que, más allá de la técnica de fabricación o la aplicación específica, el diseño y optimización de dispositivos MOS exige una comprensión profunda de las interacciones físico-químicas a nivel nanométrico, así como del entorno operativo del dispositivo. La estabilidad térmica, la compatibilidad de materiales, la integración con circuitos existentes y la escalabilidad del proceso son factores críticos para su implementación industrial. Además, la ingeniería de interfaces —particularmente en heterouniones o estructuras multicapa— representa una frontera activa de investigación con impacto directo en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos basados en óxidos metálicos.

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