Producción y simulación de nanotubos de carbono crecidos por la técnica deposición química de vapores optimizada por plasma

Abstract

Se realizó la producción de Nanotubos de Carbono (NTC) por la técnica Deposición Química de Vapores (CVD) y su simulación utilizando la Teoría de Funcionales de Densidad (DFT), con el fin de estudiar estas estructuras en su nivel fundamental, dadas las amplias e importantes aplicaciones de los mismos en múltiples sectores de la salud, la industria, el medio ambiente, ciencia básica etc., las cuales han llevado a reconocerlos como el nanomaterial quintaesencia desde su descubrimiento. El estudio realizado permite establecer las áreas de estudio para las cuales los Nanotubos producidos pueden tener mayores proyecciones de interés científico e innovador. Se establecieron las condiciones físicas de presión y temperatura del sustrato, adecuadas para el crecimiento de NTC por la técnica CVD y PECVD en el reactor diseñado así como se obtuvo la caracterización de propiedades estructurales, morfológicas y composición química de los Nanotubos obtenidos. Complementariamente, fueron simulados los cambios en la energía total, espectros vibracionales, distribución de carga, orbitales moleculares y densidad total de electrones, sufridos por los NTC de Pared simple en un tipo de nanotubo armchair y otro tipo zigzag mediante simulaciones basadas en DFT. Se estudió igualmente el cambio en estas propiedades al dopar dichos nanotubos con átomos de Nitrógeno. Como producto de la descarga CVD se obtuvieron nanotubos de carbono de Pared simple de alrededor de 1 nm de diámetro. Las simulaciones han permitido comparar el comportamiento de los orbitales moleculares de NTC de pared simple con quilaridad armchair y zigzag, cuando en su estructura se sustituyen átomos de carbono por átomos de nitrógeno, encontrando cambios significativos en la energía y ubicación de sus orbitales moleculares. La energía total presenta una relación lineal con el aumento de átomos de N en la pared. Para nanotubos con pequeñas cantidades de nitrógeno, los orbitales tipo HOMO se encuentran principalmente alrededor del átomo de nitrógeno, efecto que se pierde conforme el número de átomos de nitrógeno aumenta. Los espectros vibracionales simulados y los experimentales coinciden en las bandas Raman características, observándose la aparición de nuevas bandas en el espectro simulado cuando hay presencia de átomos de N, las cuales han sido reportadas experimentalmente en la literatura. El sistema CVD y PECVD implementado, permite la producción de NTC, cuyo espectro Raman coincide por los reportados por otros autores, y con los simulados mediante DFT. La introducción de átomos de N en la estructura del NTC modifica sustancialmente sus propiedades electrónicas (Texto tomado de la fuente)

Carbon Nanotubes (CNT) were growth using Chemical Vapor Deposition technique (CVD) and were also simulated using Density of Functional Theory (DFT). These structures were studied at its fundamental level, because of its important and widely used applications in fields like health, industry, environment, science among others. Carbon nanotubes have been recognized as the “quintessence” nanomaterial since they were discovered. The developed study allows to find the areas where produced structures could have highest scientific and innovation projections. Pressure and substrate temperature physical conditions for an adequate growth of CNTs were established, using the CVD and PECVD technique in the designed reactor. For the obtained nanotubes the structural, morphological, and chemical composition properties were characterized. Complimentary, Total energy, Vibrational spectra, charge distribution, molecular orbital and electron total density, were simulated for Single Walled CNTs (SWCNTs) in both armchair and zig-zag chilarities using DFT simulations. Changes in these properties were studied when the tubes were doped with nitrogen atoms. 1 nm in diameter Single Walled Carbon Nanotubes were obtained as CVD discharge product. Zig zag and armchair SWCNTs Molecular Orbital simulations, allowed to compare pure CNTs with Nitrogen doped ones. Meaningful changes in energy and molecular orbital arrange were found. Total energy shows a linear relation with the N atoms quantity in the wall. For CNTs with little nitrogen content, Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) surrounds the N atom, but that effect vanishes while N atoms quantity rises. Simulated and experimental Vibrational spectra match in the featured Raman bands. When N atoms are in the wall, new bands appear in the simulated spectra as was reported in the bibliography for experimental CNTs. CVD and PECVD mounted system, allow the CNTs production, matching with the raman spectra reported by other investigators, as with the DFT simulated ones. N atoms insertion highly modifies its electronic properties.