Interacción de átomos o moléculas con sistemas bidimensionales hexagonales. Un estudio DFT

Abstract

El avance en los últimos años de la nanociencia y la nanotecnología ha sido posible en gran parte por las investigaciones entorno a las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales y su interacción con agentes externos como átomos, moléculas y otras nanoestructuras. Uno de los materiales pioneros en el desarrollo de esta ciencia multidisciplinar es el grafeno el cual es un componente laminar de la estructura del grafito. Debido a sus propiedades y escala nanométrica podría ser utilizado en el diseño y construcción de dispositivos electrónicos entre otras aplicaciones tecnológicas. En el presente trabajo se estudia el grafeno y sistemas con geometría similar; monocapas hexagonales monoatómicas como el siliceno y germaneno y monocapas diatómicas compuestos de arseniuro de galio y nitruro de galio; con el interés de comprender desde la física las propiedades electrónicas de estos sistemas cuando interactúan con átomos como aluminio (Al), plomo (Pb), arsénico (As), mercurio (Hg) y moléculas de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) o cianuro hidrogenado (HCN). En el estudio teórico de estos sistemas átomo-monocapa y molécula-monocapa se ha utilizado la Teoría del Funcional de la Densidad en las Aproximaciones de Densidad Local (LDA), Gradiente Generalizado (GGA) e incluyendo interacciones de van der Waals (vdW), a fin de evaluar pseudopotenciales, energías de cohesión, relaciones de dispersión electrónica, densidad de estados, energías de adsorción y transferencia de carga. El proceso de optimización del pseudopotencial es de vital importancia para poder describir el comportamiento atómico en diferentes entornos químicos. Al evaluar diferentes configuraciones electrónicas y radios de corte para construir una serie de pseudopotenciales, se encuentra que algunos de estos calculan muy bien el parámetro de red, pero generan grandes errores en la energía de cohesión. Con los pseudopotenciales optimizados se procede a encontrar las relaciones de dispersión electrónicas para las monocapas hexagonales monoatómicas en donde se evidencian los conos de Dirac, mientras en los sistemas bidimensionales diatómicas se encuentran brechas de energía indirectas. En el caso de las interacciones con los átomos y las mol éculas se observan pozos de potencial con profundidades dependientes del sitio de interacción sobre la monocapa y la orientación relativa de las moléculas respecto a la monocapa. En este proceso es posible establecer la transferencia de carga electrónica de los átomos y las moléculas hacia el sistema bidimensional y viceversa, mediante el análisis de las poblaciones de Mulliken.

Abstract: During the last years the nanoscience and nanotechnology advances have been possible due to the research of the physics and chemical properties of nanomaterials, and its interaction with external agents such as atoms, molecules and other nanostructures. The precursor nanomaterial in the development of this multidisciplinary science is called graphene, which is a hexagonal monolayer of graphite structure. This two-dimensional material is important because of its properties and nanometric scale, which opens a new epectrum of possibilities in technological applications such as the design and development of electronic devices. In this thesis, we study the graphene itself and systems with similar geometry structure to it. For instance, monoatomic hexagonal monolayers of silicene or germanene and also diatomic hexagonal monolayers of gallium arsenide and gallium nitride, have been analized with the aim of understanding the electronic properties of bidimensional systems when they interact with an atom of aluminum Al, lead Pb, arsenic As, mercury Hg and molecules as water (H2O), carbon dioxide (CO2) or hydrogen cyanide (HCN). For the theoretical study of these systems atom-monolayer and molecule monolayer, we used Functional Density Theory (DFT) with local density approximation, generalized gradient approximation and van der Waals with aim to find pseudopotentials, cohesive energies, electronic dispersion relations, density of states, adsorption energies and electronic charge transfer. We found the optimization process of pseudopotentials is very important to describe atomic behavior in the different chemical environments. To evaluate various electronic configurations and radii, and to generate different pseudopotentials we observed a good approximation to the lattice parameter, but some errors arise in the cohesive energy. With optimized pseudopotentials, we can calculate electronic dispersion relations which show that the Dirac cone locations are in the monoatomic hexagonal monolayers and for diatomic twodimensional systems exist a indirect gap. In the cases of of atoms and molecules interacting with two-dimensional systems, we find potential wells with different depths that depend of the interaction site and the relative orientation of the molecule on monolayer. In these processes, it is possible to find the charge transfer the atoms and molecules toward the two bidimensional systems or viceversa by using the analysis Mulliken population’s.