viernes, 14 de julio de 2017

Mensajes amables de fin de semana: Materiales 2D semiconductores de banda directa, la llave para un salto tecnológico de posibilidades ilimitadas


Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:

Wolfgang Pauli, el famoso austríaco premio Nobel de Física, dijo en una ocasión: Dios hizo la materia, y el diablo las superficies
El viaje a Planilandia, o sea a estructuras atómicas de dos dimensiones, bajo mi humilde opinión, tiene una implicación mucho más poderosa que conseguir, como se hace con el grafeno, nuevas e increíbles propiedades ópticas, eléctricas, térmicas y mecánicas
La nueva e ilimitada dimensión viene por los espectaculares fenómenos cuánticos que se manifiestan
Los electrones que viajan a través de una fina lámina de dos dimensiones se comportan más como si fuesen partículas sin masa, con propiedades parecidas a los fotones, que como las partículas con carga eléctrica
En ese mundo de dos dimensiones, los electrones se ven influenciados tanto por las reglas de la mecánica cuántica como por las de la relatividad de Einstein, algo que antes del grafeno solo ocurría en los aceleradores de partículas
Por ello, los transistores basados en grafeno pueden ser mucho más veloces que los basados en silicio ( pueden llegar a frecuencias de centenares de gigahercios, muy superiores a las de nuestros ordenadores ), ….y sin embargo no son fáciles de apagar y encender
Ello se debe a que el grafeno no es un semiconductor ( un material que en estado de apagado bloquea el paso de corriente eléctrica )
Por fortuna, el grafeno no es el único material bidimensional que puede producirse por vía sintética
Con los nuevos materiales bidimensionales, podemos obtener superficies uniformes de un solo átomo de grosor, que pueden ser capas aislantes o semiconductoras
Su potencial es enorme, porque nos permiten fabricar transistores que operen en la región espectral del terahercio
Otra de las propiedades decisivas que hay que buscar en los nuevos materiales bidimensionales es que al adoptar la capa bidimensional, el cambio de geometría le altere las propiedades, haciendo que las bandas de conducción y de valencia se modifiquen, y la brecha energética que hay entre ambas, o sea la banda prohibida, pase a ser de tipo directo, es decir que los electrones puedan salvarla de manera directa, emitiendo fotones
Esto los hace mucho más eficientes emitiendo luz………lo que cambia radicalmente los principios técnico-económicos en que está basada la producción proveniente de la energía solar 
Conclusión: ordenadores mucho más rápidos, energía solar mucho más eficiente….. y muchas más cosas relacionadas con esas “nuevas cotas de libertad que tienen lo electrones”       
Las ideas básicas de este resumen han sido sacadas de un hermoso artículo publicado por la revista Investigación y Ciencia, en su edición de Junio 2017 :

El resto son links que, buceando por Internet, he encontrado interesantes:

Direct and indirect band gaps

In semiconductor physics, the band gap of a semiconductor is always one of two types, a direct band gap or an indirect band gap. The minimal-energy state in the conduction band and the maximal-energy state in the valence band are each characterized by a certain crystal momentum (k-vector) in the Brillouin zone. If the k-vectors are the same, it is called a "direct gap". If they are different, it is called an "indirect gap". The band gap is called "direct" if the momentum of electrons and holes is the same in both the conduction bandand the valence band; an electron can directly emit a photon. In an "indirect" gap, a photon cannot be emitted because the electron must pass through an intermediate state and transfer momentum to the crystal lattice.





Energy vs. crystal momentum for a semiconductor with an indirect band gap, showing that an electron cannot shift from the highest-energy state in the valence band (red) to the lowest-energy state in the conduction band (green) without a change in momentum. Here, almost all of the energy comes from a photon (vertical arrow), while almost all of the momentum comes from a phonon (horizontal arrow).




Energy vs. crystal momentum for a semiconductor with a direct band gap, showing that an electron can shift from the highest-energy state in the valence band (red) to the lowest-energy state in the conduction band (green) without a change in crystal momentum. Depicted is a transition in which a photon excites an electron from the valence band to the conduction band.

Nuevo material puede revolucionar la industria, y no es el grafeno
El ReS2 pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición (DMT). Con este nombre se agrupan compuestos de fórmula MX2, en los que M es un metal de transición y X un elemento del grupo 16 de la tabla periódica, es decir, oxígeno, azufre, selenio o teluro. Una de las características más interesantes de los DMT-2D es que tienen bandas prohibidas directas, lo que les permite absorber y emitir luz eficientemente y les hace candidatos muy prometedores para ser parte de la próxima generación de materiales usados en optoelectrónica y en células fotovoltaicas.
Sin embargo, estas propiedades tan atractivas de los DMT sólo aparecen en el caso de que estén en forma de monocapa; cuando están en 3D se produce un acoplamiento entre las capas que hace que la banda prohibida sea indirecta, lo que reduce drásticamente sus propiedades ópticas y electrónicas.

La revolución de los materiales 2D
Cuando los expertos en física de materiales descubrieron que los compuestos rebanados en láminas delgadísimas se comportan de forma muy distinta a la habitual, sentaron las bases de una revolución tecnológica que en unos años podría transformar el mundo.




En 2005, los físicos Andre Geim y Konstantín Novosiólov arrancaron con celo unos trozos de grafito, la sustancia de la mina de los lápices, y obtuvieron una monocapa cristalina hexagonal, el grafeno. Al analizar esa loncha, que no tenía más de un átomo de grosor, se dieron cuenta de que sus propiedades diferían considerablemente de las del grafito. Así, no puede haber material más plano, y sin embargo, no resulta frágil; en absoluto.
En efecto, el grafeno es sumamente duro y resistente, y flexible como el plástico. Y no solo eso; se puede estirar, pero recuperará su tamaño original. Además, conduce extraordinariamente bien el calor y la electricidad: la red atómica que conforma se convierte en una autopista para los electrones, que circulan por ella a gran velocidad.
Desde el descubrimiento del grafeno, los numerosos grupos de investigadores que experimentan con este y otros materiales bidimensionales no han parado de analizar sus características electrónicas y los fenómenos que emergen de ellos cuando, por ejemplo, los combinan entre sí para formar compuestos de varias capas. El fosforeno, el diseleniuro de molibdeno o el disulfuro de tungsteno son algunos de estos materiales milagrosos, y la lista no para de crecer.
“Cuando tomamos uno de estos compuestos y hacemos que una de sus dimensiones sea muy pequeña, variamos sus propiedades. Estas no se encuentran presentes en su forma en 3D”, explica a MUY una de las mayores autoridades en este campo, el profesor John Coleman, del Centro de Investigación en Nanodispositivos y Nanoestructuras Adaptativas del Trinity College de Dublín (CRANN).
Coleman asegura que se necesita tiempo para que nos beneficiemos de las ventajas que prometen estos materiales. “En el desarrollo de cualquier tecnología suelen pasar años desde que se realizan los primeros experimentos hasta que estos se concretan en un avance”. Lo mismo ocurrió con los plásticos o los semiconductores. “Es una cuestión de conocimientos y experiencia; solo así podrás controlar estas sustancias para que hagan aquello que necesitas que hagan. Y eso no pasa de un día para otro”, dice Coleman.

Materiales 2D más allá del Grafeno



                                     https://www.youtube.com/watch?v=jkAXhJWixJ8&vl=es


Optoelectronics with 2D materials


                                       https://www.youtube.com/watch?v=4P_PZbP9f-E


The first car in the World made with Graphene is a reality






Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Álvaro Ballesteros



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