El disolfuro de molibdeno y otros cristales bidimensionales

Alejandro Sanz Rodríguez de la flor

Física de la materia condensada

24/03/2015

El disolfuro de molibdeno y otros cristales bidimensionales

        El disulfuro de molibdeno, MoS2, es un dicalcogenuro de metal de transición compuesto por el apilamiento de capas de S-Mo-S. Mientras que los átomos de una capa están fuertemente ligados por enlaces covalentes-iónicos mixtos, las capas se atraen débilmente entre ellas por fuerzas de Van der Waals. Esta fuerte anisotropía en la estructura de sus enlaces hace que este material se presente en forma de cristales finos, altamente flexibles y fáciles de exfoliar.

        Para empezar a hablar del disolfuro de molibdeno tenemos que definir lo que es un cristal bidimensional. Los cristales bidimensionales engloban una gran cantidad de materiales como la mica, el grafito, el MoS2, etc. con propiedades muy distintas entre ellos, pero que tienen en común que todos tienen una estructura cristalina laminal  que actúa por fuerzas de Van der Waals.

        La tecnología ha ido avanzando a un ritmo frenético, la sociedad cada vez demanda dispositivos  más potentes pero que ocupen menos espacio. La construcción de transistores cada vez más y más pequeños está a la orden del día, pero ¿dónde está el límite de éstos? Con el descubrimiento del grafeno se abrió la esperanza de fabricar transistores tan delgados como el espesor de un átomo de carbono. La reducción vertical del tamaño del transistor en una capa única 2D formada por átomos permitirá reducir también las dimensiones lateralmente, lo que implicaría que en la misma área del chip podría incorporar veinticinco veces más componentes electrónicos que antes. Además, la utilización de un único canal estrecho para conducir la corriente eléctrica reduce las fugas de energía, problema que ha preocupado a los especialistas de semiconductores desde hace cierto tiempo al igual que reducir aún más el tamaño sin provocar un sobrecalentamiento de los dispositivos que provoque fugas eléctricas. Lamentablemente, el grafeno no es semiconductor, no tiene banda por lo que siempre pasaría corriente provocando que se calentara en exceso. Pero no hay motivos para el pesimismo, pues, como ya hemos dicho, los cristales bidimensionales están formados por una gran familia de materiales, como el grafeno, muchos de ellos semiconductores. El más estudiado ahora mismo por su delgadez y por ser un buen semiconductor es el MoS2. Otro objeto de estudio reciente también es el siliceno, un nuevo material con el que se intentan combinar las propiedades del grafeno y el silicio. La carrera a la fabricación de la nueva generación de tecnologías de la comunicación está abierta, una carrera millonaria que necesita innovación, detrás de la cual está el trabajo de miles de físicos y de otros muchos científicos e ingenieros.

        Existen varios métodos para la síntesis del MoS2, el más usado por ser el más barato y eficaz es el método de la cinta adhesiva. Al Mos2 se le pone cinta adhesiva por los dos lados, se tira rápido de ella exfoliando el material quedándose una fina capa pegada en el celo, acto seguido, pegas la cinta sobre el material aceptor y esta vez al quitarla se tira lentamente para que la capa de MoS2 se quede sobre el material. Para mejorar esta técnica, se le puede añadir al material aceptor una silicona viscolástica que ayuda al MoS2 a quedarse en el material. Existen otros métodos que requieren de procesos químicos, como la sulfuración de películas de metales o de metales óxidos que no vamos a tratar.

        Demos a conocer ahora las propiedades de algunos de estos cristales, empezando y haciendo hincapié en nuestro material fetiche: el Mos2

        MoS2

        Las capas que forman los cristales bidimensionales de MoS2 tienen un espesor de 0.7 nanómetros, aproximadamente el ancho de tres o cuatro átomos. Ya hemos recalcado anteriormente la importancia de que las capas sean muy delgadas. Dicha importancia radica en el hecho de que el campo eléctrico en el interior de un condensador plano-paralelo se considera homogéneo, siempre y cuando la distancia entre las placas del condensador sea mayor que el ancho de las placas. Un espesor de tres o cuatro átomos nos permite construir semiconductores muy pequeños.

        En comparación con el silicio, el MoS2 es más flexible y tiene mayor movimiento de los portadores de cargas 200c/vs frente al del silicio de 90 /vs.[pic 1][pic 2]

        También es importante remarcar su ventaja con respecto al grafeno. En forma de monocapa, el MoS2 presenta una banda eléctrica prohibida a 1.8 eV, la cual le da sus propiedades de semiconductor.

        Su resistencia termoeléctrica a altas temperaturas es bastante baja.

        Tiene un módulo de Young muy grande, por lo que soporta bien las deformaciones, llegando al 20% sin romperse, lo cual indica una baja densidad de defectos.

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