El gran futuro nanotecnológico del fosforeno o fósforo negro

20150806 black phosphorus - phosphorene - science mag

En el año 2013 se fabricaron capas monoatómicas de fósforo, el llamado fósforo negro o fosforeno, por exfoliación mecánica. El reino del grafeno sufrió una gran conmoción. El fosforeno es un semiconductor (tiene banda prohibida) a diferencia del grafeno que es un semimetal (no tiene banda prohibida). Gracias a ello promete muchas aplicaciones prácticas. El fosforeno es tan revolucionario como el grafeno y tiene su propio nicho de mercado en electrónica, optoelectrónica, termoelectricidad y nanotecnología en general.

El fosforeno no es tan plano como el grafeno, presentando una estructura en hexagonal corrugada o en zigzag (parte izquierda de la figura). Pero su diagrama de bandas electrónicas muestra una banda prohibida (bandgap) tanto en una capa (1L), como en dos (2L) y tres (3L) capas (parte derecha de la figura). La anchura de la banda prohibida decrece con el número de capas, desde cerca de 2 eV para una monocapa hasta unos 0,3 eV para el fósforo negro con muchas capas. Los átomos de fósforo en cada capa están unidos fuertemente por enlaces covalentes, pero entre las capas la unión es débil pues intervienen fuerzas de van der Waals.

Nos cuenta el estado actual y el posible futuro del fosforeno el español Andrés Castellanos Gómez, del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia), Madrid, España, “Black phosphorus: narrow gap, wide applications,” Perspective, Science, AOP 04 Aug 2015, arXiv:1508.00874 [cond-mat.mes-hall].

20150806 comparison band gap values different semiconductors - phosphorene - science mag

En aplicaciones optoelectrónicas la banda prohibida del fósforo negro (multicapa) permite trabajar en todo el infrarrojo cercano, algo que no es posible lograr con el grafeno. Sus aplicaciones más interesantes son en fotovoltaica (obtener energía eléctrica del Sol), fotocatálisis (donde ahora se emplean semiconductores con banda prohibida entre 1,2 y 1,6 eV), telecomunicaciones con fibra óptica (donde se emplea luz entre 1,2 y 1,5 micras, es decir, fotones con energía entre 0,8 y 1,0 eV), en el desarrollo de cámaras en el infrarrojo para visión nocturna y generación de energía termoeléctrica (donde hoy se usan seminconductores con banda prohibida entre 0,2 y 0,3 eV). En todas estas aplicaciones se usan semiconductores 3D convencionales, pero el uso del fósforo negro permitirá extender estas aplicaciones del reino de la microtecnología al de la nanotecnología.

20150806 phosphorene  current nanotechnology applications- science mag

En laboratorio se han propuesto gran número de dispositivos nanotecnológicos basados en el fósforo negro (fosforeno). En esta figura se muestran: (a) un transistor de efecto de campo, difícil de fabricar con otros materiales bidimensionales como el grafeno, (b) una unión PN para células solares fotovoltaicas, (c) un resonador nanoelectromecánico con una frecuencia de resonancia en el régimen de los MHz, (d) un fotodetector ultrarrápido para cámaras de vídeo nocturnas en el infrarrojo, y (e) un amplificador operacional para circuitos lógicos. El número de nuevos nanodispositivos basados en este material está creciendo de forma exponencial.

20150806 comparison between performance 2d materials - science mag

Esta figura compara las propiedades electrónicas de varios materiales bidimensionales: grafeno (Graphene), fosforeno o fósforo negro (BP) y monocapas de dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs). Las propiedades del fosforeno tienen un hueco sin competencia. Pero también tiene un gran inconveniente, su alta reactividad con el ambiente (absorbe la humedad del aire y se oxida); recuerda que otros materiales planos (grafeno, h-BN, etc.) son bastante estables a las condiciones atmosféricas.

20150806 environmental-induced degradation black phosphorus - science mag

El estudio de los mecanismos de degradación ambiental del fosforeno por envejecimiento oxidativo han permitido desarrollar diferentes técnicas de recubrimiento o encapsulación para evitarla. Se han propuesto varias posibilidades, pero todavía queda bastante investigación que realizar en este campo. Sobre todo porque el recubrimiento debe evitar la degradación del rendimiento de los dispositivos desarrollados con fósforo negro.

En resumen, el fósforo negro o fosforeno es uno de los materiales estrella de la actualidad. Los dos grandes retos que se han de superar son la fabricación a gran escala y la degradación inducida por el ambiente. Ambos son objeto de una investigación muy actica, por lo que su futuro es muy prometedor. En el futuro muchos nanodispositivos electrónicos, optoelectrónicos y termoeléctricos se basarán en el fosforeno en lugar de en el grafeno o dicalcogenuros de metales de transición. Cada material tiene su nicho de mercada lo que limita su competencia mutua.


3 Comentarios

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benjaminbenjamin

sera el material de las computadoras del futuro? o aun cree que el mas prometedor es el de nanotubos de carbono?

LuisLuis

Personalmente y seguro que Francis está de acuerdo. Yo veo todo esto aún muy verde, puede que se estén desarrollando algunas aplicaciones puntuales a algunos de éstos materiales; pero en general todavía queda mucho para que lleguen al mercado, por no hablar de que habría que ver los costos de fabricación, etc. Siempre salen artículos sobre nuevos materiales para crear baterías mejores y aún estamos esperando que aparezca algún producto real. Siempre hay algún parámetro que no se ajusta, mucha densidad energética, poco tiempo de vida medio… etc. A ver que tal es la nueva “memoria” de Intel-Micron y si de verdad consiguen acabar con el cuello de botella y la RAM.

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