Adsorción, crecimiento e incorporación de átomos de carbono en GaN: un estudio basado en DFT

Abstract

En el presente trabajo de tesis doctoral se realizó un estudio detallado del sistema carbono GaN. Primero, se estudiaron las propiedades estructurales y electrónicas los compuestos CxGa1-xN y CxGaN1-x (x = 0.25, 0.50 y 0.75). En todas las concentraciones se encuentra que es energéticamente más favorable que los átomos de C ocupen las posiciones de los átomos de N. Seguidamente, se estudia la adsorción, difusión e incorporación de átomos de C en la superficie GaN(0001) en la geometría 2x2. Encontramos que la estructura energéticamente más favorable corresponde al modelo C-H3 o modelo de carbono localizado en el sitio H3, mientras que la adsorción de un átomo de carbono sobre un átomo de Ga (sitio T1), es totalmente desfavorable. La difusión de átomos de carbono sobre la superficie posee una barrera de difusión para migración de átomos de C de H3 a T4 pasando por el punto Bredge Br de aproximadamente 1.44 eV y es de 1.037 eV cuando la migración es de T4 a H3. Para la incorporación de átomos de C en la superficie GaN(0001) los átomos de carbono prefieren ocupar sitios de los átomos de N en la bicapa superior, esto indica que es muy poco probable la migración de átomos de C a las capas inferiores del GaN. Finalmente, se hizo un estudio detallado del crecimiento de una monocapa de grafeno sobre la superficie GaN(0001), se analizaron alrededor de 50 estructuras para el sistema grafeno/GaN(0001), de las cuales emergen como como energéticamente más favorables las estructuras: 3√3 x3√3-grafeno/4x4GaN(0001) en condiciones ricas de nitrógeno y √21 x√21-grafeno/2√3 x2√3-GaN(0001) bicapa Ga en condiciones ricas de Galio. Se encuentra que en estas estructuras, las monocapas de grafeno conservan su estructura hexagonal panal de abeja y los enlace C-C permanecen intactos, la estructura de bandas de ambas estructura preservan los conos de Dirac, lo que demuestra que la superficie GaN(0001) es un excelente sustrato para el grafeno.

Abstract. In this doctoral thesis, a detailed of the carbon-GaN system was carried out. First, the structural and electronic properties of the compounds CxGa1-xN and CxGaN1-x (x = 0.25, 0.50 y 0.75) were studied. At all concentrations, it was found that it is energetically more favorable that the atoms of C occupy the positions of the atoms of N. Next, the adsorption, diffusion, and incorporation of atoms of C on the GaN(0001) surface in the 2x2 geometry were studied. We found that the energetically most favorable structure corresponds to the model C-H3, or the model of carbon located at the H3 site, while the adsorption of a carbon atom on an atom of Ga (site T1) is totally unfavorable, the diffusion of carbon atoms on the surface has a diffusion barrier for the migration of atoms of C from H3 to T4, passing through the Bredge Br point of approximately 1.44 eV, and is at 1.037 eV when the migration is from T4 to H3. For the incorporation of atoms of C on the GaN(0001) surface, the carbon atoms prefer to occupy sites of the atoms of N in the higher bilayer. This indicates that the migration of atoms of C to the lower layers of GaN is very unlikely. Finally, a detailed study of the growth of a monolayer of graphene on the surface of GaN(0001) was carried out. Around 50 structures for the graphene/GaN(0001) system were analyzed, of which the structures 3√3