Materiales 2D: Estrella emergente para el futuro
Introducción
Los materiales 2D, o materiales monocapa, son materiales con una sola capa de átomos. Desde un punto de vista más micro, los materiales 2D son materiales a escala nanométrica. El ejemplo más famoso de material 2D es el grafeno, formado por alótropos de carbono en una nanoestructura de celosía hexagonal y aislado por primera vez en 2004. La figura 1 muestra la estructura de una capa de grafeno.
El grafeno monocapa posee unas propiedades únicas. Su resistencia a la tracción es cientos de veces superior a la de la mayoría de los aceros en peso. También posee la mayor conductividad térmica y eléctrica. Debido a las magníficas propiedades del grafeno, muchos estudios e investigadores se han centrado en el desarrollo de otras redes de carbono monoatómicas, como el grafidieno, el grafenileno y otras. El grafeno se convierte así en el pionero en el desarrollo de materiales 2D.
Figura 1: Capa de grafeno
¿Qué es un material 2D?
Si pensamos en los materiales en tres dimensiones, los materiales 2D son materiales que sólo tienen una dimensión nanométrica. Si los materiales tienen las tres dimensiones en nanoescala, son materiales 0D. La Tabla 1 ofrece un resumen de los materiales de 0 a 3D [1].
Tabla 1: Materiales de 0 a 3D con ejemplos
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Número de dimensiones nanoscópicas |
Clasificación |
Ejemplo |
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3 |
0D |
Puntos cuánticos |
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2 |
1D |
Nanotubos, nanohilos, nanoribbones |
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1 |
2D |
Materiales de un átomo de espesor, como el grafeno |
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0 |
3D (A granel) |
Materiales generales que se pueden ver. |
Los materiales 2D se dividen en elementos, compuestos metálicos, orgánicos y sales. La Figura 2 muestra las estructuras y clasificaciones de distintos materiales 2D [2].
El nitruro de boro hexagonal (h-BN) es un isomorfo del grafeno (tiene las mismas microestructuras que el grafeno que se muestra en la Figura 1, excepto que el carbono se sustituye por boro y nitruro).
El MoS2 es uno de los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC). La fórmula química de los TMDC es MX2 (M es el metal de transición, como el Mn; X es el calcógeno, como el S, el Se y el Te). Los TMDC forman estructuras de enlace covalente tricapa X-M-X.
Debido a sus diferentes propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas, los materiales 2D se utilizan ampliamente en diferentes áreas de las que hablaremos más adelante. Veamos primero cómo se fabrican los materiales 2D.
Figura 2: tipos y estructuras de diferentes materiales 2D [2]
¿Cómo se fabrican los materiales 2D?
Los materiales 2D son materiales con una sola capa de átomos. Es posible hacer más delgados los materiales a granel como si se cortaran jamones, pero el problema no es tan fácil debido a los enlaces químicos de algunos materiales en 3 dimensiones. Romper estos enlaces hace que las capas finas sean muy inestables y químicamente reactivas. El grafito es diferente. Como material bidimensional, sólo tiene enlaces químicos fuertes dentro de los planos, cada plano se superpone para formar grafito (véase la figura 3 [3]). Por lo tanto, la estrategia anterior puede utilizarse para fabricar grafeno.
Figura 3: Estructura del grafeno [3]
Existen dos ideas para fabricar materiales 2D: de arriba abajo y de abajo arriba.
Top-down corta materiales grandes o a granel bajo un proceso controlado y elimina las capas producidas. Su estrategia básica se ha mencionado anteriormente. El top-down puede dividirse en exfoliaciones mecánicas, en fase líquida, por ultrasonidos, electroquímicas, por cambio iónico y por intercalación de litio [2].
Bottom-down utiliza elementos atómicos o moleculares y los "combina" para formar materiales 2D. Bottom-down utiliza materiales más pequeños que los materiales 2D para producir materiales 2D como si fueran bloques de construcción. Entre los métodos bottom-down se encuentran el crecimiento epitaxial, la deposición química en fase vapor (CVD), la deposición por láser pulsado (PLD), los métodos químicos húmedos, el método asistido por ondas o la transformación topoquímica [2].
La exfoliación mecánica, la exfoliación líquida y el CVD se utilizan habitualmente para fabricar materiales 2D.
Exfoliación mecánica
La exfoliación mecánica utiliza una fuerza mecánica para separar una capa fina o varias capas finas de material de un material a granel. Normalmente, se utiliza un trozo de "cinta adhesiva" para despegar el material a granel y recoger las capas finas. En todos los métodos descendentes, el principal problema es superar las fuerzas de Van der Waals entre cada capa del material a granel. Aplicando cuidadosamente la fuerza normal y la fuerza lateral durante el proceso de exfoliación, podemos producir materiales 2D de alta calidad por exfoliación mecánica. Pero la baja eficiencia y el bajo rendimiento son los principales problemas de la exfoliación mecánica.
Exfoliación líquida
La exfoliación líquida puede cubrir estas desventajas de la exfoliación mecánica utilizando un disolvente orgánico como intermedio para transportar la fuerza mecánica al material a granel y la sonicación proporciona tensión de tracción a cada capa, lo que separa cada capa. Sin embargo, los materiales 2D producidos por exfoliación líquida pueden tener residuos de disolvente orgánico, lo que hace que los materiales 2D no sean adecuados para algunas aplicaciones ópticas.
Deposición química en fase vapor
La deposición química en fase vapor (CVD) puede producir materiales 2D de alta calidad y eficacia en tamaños controlados. Dentro de un horno calentado, uno o varios gases precursores que contienen elementos atómicos o moleculares chocan contra un sustrato y los materiales 2D crecen en él. El CVD se aplica con éxito para producir grafeno y TMDC. Las presiones del gas, la temperatura, el tiempo de reacción, etc. desempeñan un papel importante en la calidad, el grosor y la composición del material 2D.
Por qué utilizar material 2D y su aplicación
Ventajas del material 2D
En comparación con el material a granel, el material 2D no tiene fuerzas de Van der Waals debido a su estructura de una sola capa. Las fuerzas de Van der Waals son interacciones dependientes de la distancia entre átomos o moléculas. Si el material no puede superar las fuerzas de Van der Waals cuando se somete a tensión, se romperá.. El enlace covalente comparte electrones, lo que significa mantener la relación superficie-volumen ng los átomos fuertemente. Los materiales 2D no tienen fuerzas de van der Waals, sino sólo enlaces covalentes, por lo que presentan una resistencia a la tracción extremadamente fuerte. El grafeno es el material con mayor resistencia a la tracción de la naturaleza.
La estructura monocapa del material 2D le confiere una relación superficie-volumen relativamente alta. Puede entrar en contacto con más reactivos para realizar reacciones más rápidas. El material 2D también presenta buenas propiedades electrónicas y ópticas porque la reducción de la periodicidad en la dirección perpendicular al plano cambia la estructura de bandas.
Aplicaciones de los materiales 2D
Los materiales 2D se utilizan ampliamente en transistores, fotodetectores, semiconductores, condensadores, memristores y muchas otras aplicaciones.
El ó xido de grafeno se utiliza a menudo para fabricar compuestos de fibras, películas o estructuras tridimensionales debido a su extraordinaria dispersabilidad. Combinando un 50% de óxido de grafeno con un 50% de nanofibrillas de celulosa (CNF), el aerogel preparado muestra una mayor resistencia y rigidez que el aerogel CNF puro [2].
La elevada relación superficie-volumen delgrafeno reduce la inflamabilidad de los gases [2]. Esto convierte al grafeno en un aditivo para aumentar la resistencia a la inflamabilidad de los compuestos poliméricos y otros materiales. El grafeno también muestra un buen rendimiento en memristores debido a su alta conductividad eléctrica, estabilidad química y alta movilidad del portador. Asume una buena responsabilidad en la conmutación resistiva en condiciones de alta velocidad y larga duración. Los TMDC, BN o BP también pueden utilizarse en memristores.
Los TMDC(MoS2, WSe2, WS2) se utilizan mucho en los transistores de efecto de campo (FET), que son los elementos más importantes de la electrónica. La buena movilidad de carga y las brechas de banda moderadas de los TMDC los hacen adecuados para aplicaciones FET [2].
Las propiedades dieléctricas supremas de la película de h-BN permiten la combinación de h-BN/Ge/metal aparece en condensadores.
Hay muchas aplicaciones y materiales 2D que no se mencionan. Stanford Advanced Materials (SAM) proporciona diferentes tipos de materiales 2D. Si desea más información sobre materiales 2D, puede proporcionar la información de su aplicación a nuestro personal técnico para que le asesore.
Referencia
- Materiales 2D: Una introducción a los materiales bidimensionales. Ossila. (s.f.). Obtenido el 28 de enero de 2023, del sitio Web: https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials.
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (s.f.). A review of the synthesis, properties, and applications of 2D materials. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials (Revisión de la síntesis, las propiedades y las aplicaciones de los materiales 2D). Obtenido el 29 de enero de 2023, del sitio Web: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (s.f.). A review of the synthesis, properties, and applications of 2D materials. A Review of the Synthesis, Properties, and Applications of 2D Materials (Revisión de la síntesis, las propiedades y las aplicaciones de los materiales 2D). Obtenido el 29 de enero de 2023, del sitio Web: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.
