La revolución del grafeno es la revolución de los materiales bidimensionales. El grafeno es un semimetal y en muchas aplicaciones son preferibles los semiconductores planos como el fosforeno y el disulfuro de molibdeno. De hecho, que el grafeno no sea un semiconductor es su mayor inconveniente. Aún así, en el año 2014 se publicaron más de 15000 artículos sobre el grafeno. El número de artículos sobre los semiconductores planos está creciendo de forma exponencial, se publicaron en 2014 más de 1500 artículos sobre el disulfuro de molibdeno y casi 200 sobre el fosforeno.
Qué material plano será el que copará el mercado todavía no está decidido. No todas las apuestas están del lado del grafeno. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Beyond graphene,” Science 348: 490-492, 01 May 2015, doi: 10.1126/science.348.6234.490.
En el campo de la micro y nanoelectrónica los materiales más prometedores son los semiconductores. Siendo un semimetal, los investigadores han tratado de transformar el grafeno en semiconductor. Hay varias opciones, pero ninguna acaba de convencer a los expertos. Esta inquietud ha llevado a centrar los esfuerzos en los semiconductores planos, como el fosforeno y el disulfuro de molibdeno. Todo apunta a que estos materiales dominarán el mundo de la nanoelectrónica, relegando al grafeno a un papel casi irrelevante. Más aún, en muchas aplicaciones donde el grafeno se suponía que era una apuesta firme hoy en día no se puede descartar que el siliceno, el germaneno o el estaneno acaben dando mejores resultados prácticos.
Por supuesto, el grafeno encontrará su nicho en el futuro de la nanotecnología.
Por ejemplo, sus propiedades ópticas y optoelectrónicas son excepcionales. Hojas planas casi transparentes, flexibles pero de gran dureza, prometen revolucionar el campo de los pantallas flexibles para dispositivos móviles. En dicho campo el grafeno no tiene competencia.
El disulfuro de molibdeno (MoS2) plano fue sintetizado por primera vez en 2008. Un material abundante, barato y que no es tóxico, que como todos los dicalcogenuros de metales de transición, es un semiconductor (tiene un bandgap entre 1,3 eV y 1,9 eV según el tipo de monocapa; recuerda que el grafeno no tiene bandgap). Puede comportarse como material dador (tipo n) o aceptor (tipo p) de electrones. Además, su mobilidad de portadores (electrones en el tipo n y huecos en el tipo p) es alta, hasta 480 cm²/Vs, pero está por debajo del silicio cristalino, 1400 cm²/Vs, aunque por encima del silicio amorfo y otros semiconductores ultradelgados. Este es quizás su mayor inconveniente, aún así su futuro es prometedor.
Los primeros transistores de MoS2 se publicaron en 2011 (en Nature Nanotechnology). Usaban una monocapa con un grosor de 0,65 nm y mostraban una alta velocidad de conmutación. Su bandgap permite el desarrollo de dispositivos ópticos, como diodos emisores de luz, láseres, fotodetectores o incluso células solares.
El fosforeno (también llamado fósforo negro) es el gran rival del MoS2. Este alótropo del fósforo que muestra una estructura monocapa corrugada fue sintetizado por primera vez en 2014. Su mobilidad electrónica, casi 600 cm²/Vs, y su gran bandgap, que varía en función del número de capas entre 0,3 y 1 eV, lo convierte en un competidor difícil de batir. Su gran inconveniente es que es inestable en el aire. La solución es encapsularlo con una capa protectora de óxido de aluminio o de teflón. Siendo el material monocapa menos estudiado se esperan grandes avances en los próximos años.
Por último me gustaría recordar una cosa. Los materiales planos se pueden usar para diseñar heteroestructuras y superredes formadas por diferentes capas. Dicen que si no puedes con tu enemigo únete a él.
Quizás el futuro de los semiconductores planos es la combinación de varios de ellos en el mismo dispositivo. El grupo del premio Nobel de Física André Geim presentó diodos LED de este tipo en febrero de este año (F. Withers et al., “Light-emitting diodes by band-structure engineering in van der Waals heterostructures,” Nature Materials 14: 301-306, 02 Feb 2015, doi: 10.1038/nmat4205).
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