Materiales bidimensionales: fosforeno, arseneno y antimoneno

Dibujo20150114 arsenene - antimonene - wiley

El grafeno es un semimetal 2D, mientras que el grafito es un semiconductor 3D. Los alótropos 3D del arsenio y del antimonio son semimetales, pero sus versiones 2D son semiconductores. Además, el salto de banda (band gap) del arseneno y del antimoneno está entre los más anchos de todos los materiales 2D que son semiconductores. Por ello permiten ciertas aplicaciones vedadas al grafeno. Así lo indican los cálculos cuánticos realizados por Zhongfang Chen, Univ. Puerto Rico en San Juan, y sus colegas. Estos materiales 2D aún no se han fabricado en laboratorio, pero los avances en las técnicas de exfoliación son rápidos y todos esperamos que no tardarán en serlo.

Por otro lado, también es noticia que se ha obtenido por primera vez por exfoliación líquida el fosforeno (fósforo negro) multicapa. La estabilidad del fosforeno es baja, sobre todo por su alta reactividad con el agua. Por ello fabricar grandes cantidades es muy complicado. El nuevo método usa como disolvente CHP (N-Ciclohexil-2-Pirrolidona). Los resultados son muy prometedores.

Más información sobre la fabricación del fosforeno en Damien Hanlon et al., “Liquid exfoliation of solvent-stabilised black phosphorus: applications,” arXiv:1501.01881 [cond-mat.mes-hall], 08 Jan 2015. Más información sobre el arseneno y el antimoneno en Shengli Zhang et al., “Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band-Gap Transitions,” Angewandte Chemie, AOP 07 Jan 2015; ver también Michael Berger, “Novel mono-elemental semiconductors: arsenene and antimonene join 2D family,” Nanowerk, 14 Jan 2015.

Dibujo20150114 gray arsenic or arsenene - antimonene - wiley

Los materiales bidimensionales (2D) que son semiconductores, como MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 y fosforeno (fósforo negro), tienen propiedades electrónicas, ópticas y químicas que los hacen más atractivos que el grafeno en muchas aplicaciones. Todos estos materiales tienen un bandgap menor de 2,0 eV, lo que restringe sus propiedades optoelectrónicas en el azul y en el ultravioleta. Según los cálculos teóricos, pues aún no han sido fabricados y medidos, el arseneno (As) y el antimoneno (Sb) tienen bandgaps de 2,49 y 2,28 eV (para láminas de un solo átomo de grosor). Estas materiales ofrecen interesantes aplicaciones en optoelectrónica, relacionadas con el LED azul y el LED blanco que recibieron el Premio Nobel de Física de 2014.

Dibujo20150114 electronic band structures arsenic - antimony - tri- bi- mono-layers - wiley

El nuevo artículo calcula mediante la teoría del funcional densidad (DFT) la estructura de bandas electrónicas de los alótropos del arsenio y del antimonio con una, dos y tres capas atómicas. El resultado más interesante se observa en los alótropos con una sola capa monoatómicos, llamados arseneno y antimoneno, que presentan un gran bandgap. Los cálculos también indican que la estabilidad de estos materiales bidimensionales es alta, lo que indica que fabricarlos es experimentalmente factible.

Dibujo20150114 Structure Black Phosphorus - SEM image of a layered BP crystal - TEM images - arxiv

El nuevo método de fabricación de fosforeno (fósforo negro) promete ser fiable y sencillo. Usar un disolvente y luego separar las láminas monoatómicas usando ultrasonidos está al alcance de muchos laboratorios de investigación. Por ello, sus futuras aplicaciones darán mucho que hablar en los próximos años. Aún así, su uso en aplicaciones microelectrónicas requiere aún importantes avances.

En resumen, como ya he dicho en alguna otra ocasión en este blog, el futuro de los materiales bidimensionales va más allá del grafeno. Hay muchas alternativas y mucha investigación por realizar en los próximos años. El campo emergente de los materiales bidimensionales es realmente apasionante.



2 Comentarios

  1. Buenas,

    Escribo para preguntar , porque no soy experto en el tema. Pero suponiendo que estos nuevos materiales 2D monoatómicos, que gracias a su bandgap si podrían usarse más directamente para el diseño de transistores(supongo que habrá algún tipo de problemas, como dice francis, aunque no los especifíca en referencia a su uso en microelectrónica), en contraposición al grafeno. ¿Qué ventajas en cuanto a la miniaturización podrían darnos en referencia a los dispositivos en laboratorio con ancho de canal de 4nm(es decir, se podría “bajar más”, suponiendo que las técnicas y demás lo hiciesen posible)?
    Aunque como dice Francis su uso en optoelectrónica es más claro, ¿Su uso en la tecnología actual, retrasaría la llegada de la optoelectrónica-fotónica a los ICs ? y por último, ¿Cuál de estas tecnologías lleva la delantera, a la hora de sustituir a la electrónica actual(parcialmente), optoelectrónica, fotónica, usando moléculas, espintrónica, a la computación cuántica ni siquiera la incluyo? Espero,que a los que no tenemos un perfil científico , las preguntas nos puedan ayudar más a hacernos una ideilla de sus aplicaciones.

    Saludos!

    1. Luis, el campo de los materiales 2D acaba de nacer. Para manipularlos a nivel industrial faltan muchos años. Mientras tanto las tecnologías actuales se están estirando todo lo posible (aguantarán hasta bien entrada la década de 2020; más tarde otros materiales serán necesarios). Los materiales 2D necesitan su propio nicho de mercado.

      ¿Cuál de estas tecnologías lleva la delantera? Ninguna. Por ahora. Todas están en una competencia feroz. Recuerdas la batalla VHS y Betamax, y otras similares, pues estamos en lo mismo. El mercado decidirá, no la tecnología.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 15 enero, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
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