Publicación: Estudio de primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la heteroestructura grafeno-monocapa de h-AlN
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Resumen en español
En este trabajo se realizó un estudios de primeros principios, en el marco de la teoría del funcional de la densidad usando el software Quantum ESPRESSO para caracterizar las propiedades estructurales y electrónicas de la hetero-estructura híbrida grafeno/h-AlN en dos configuraciones, en apilamiento vertical y en disposición horizontal. Al hacer la caracterización de las monocapas por separado se obtuvo que el parámetro de red a tiene un valor de 2.4675 Å y 3.1321 Å para el grafeno y el h-AlN respectivamente. Se pudo determinar que el grafeno es un semimetal mientras que el h-AlN un semiconductor con banda prohibida de 2.95 eV. En el apilamiento de las monocapas se utilizaron superceldas 2r3 × 2r3 grafeno y r7 × r7 h-AlN con un desajuste de un poco mas del 3 %. La energía de enlace en apilamiento tuvo un valor de -18.6840 meV/Å^2 , lo que nos muestra que esta configuración es energéticamente estable. La distancia entre las monocapas en el apilamiento se optimizó en 3.3248 Å, lo que nos indica que la heteroestructura esta caracterizada por interaccionesde Van der Waals. La caracterización electrónica se realizó mediante la construcción de los diagramas de densidad de estados proyectados (PDOS) y la estructura de bandas. Por medio de estos diagramas se pudo determinar que la interfaz grafeno/h-AlN en apilamiento vertical es un conductor no magnético y en la disposición horizontal el material es un semiconductor no magnético, donde su banda prohibida se ajusta con la concentración de h-AlN. También se encontró que al hacer sustituciones de átomos de carbono en la superficie de h-AlN de la interfaz vertical exhibe propiedades magnéticas. Para la disposición lateral de las monocapas, se encontró que las estructuras son menos estables si se aumenta la concentración de h-AlN. Además se hallaron las constantes elásticas y los módulos de elasticidad de las diferentes configuraciones para evaluar la rigidez de estos materiales.
Resumen en inglés
In this work, a first-principles study was carried out within the framework of density functional theory using the Quantum ESPRESSO software to characterize the structural and electronic properties of the graphene/h-AlN hybrid heterostructure in two configurations, vertical stacking and horizontal arrangement. By characterizing the monolayers separately, it was obtained that the lattice parameter a has a value of 2.4675 Å and 3.1321 Å for graphene and h-AlN respectively. It was determined that graphene is a semimetal while h-AlN is a semiconductor with a band gap of 2.95 eV. In the stacking of the monolayers, 2r3 × 2r3 graphene and r7 × r7 h-AlN supercells were used with a mismatch of a little more than 3%. The stacking binding energy had a value of -18.6840 meV/Å^2 , which shows us that this configuration is energetically stable. The distance between the monolayers in the stack was optimized at 3.3248 Å, which indicates that the heterostructure is characterized by Van der Waals interactions. The electronic characterization was carried out by constructing the projected density of states (PDOS) diagrams and the band structure. Through these diagrams it was possible to determine that the graphene/h-AlN interface in vertical stacking is a non-magnetic conductor and in the horizontal arrangement the material is a non-magnetic semiconductor, where its band gap is adjusted with the concentration of h-AlN. It was also found that by making substitutions of carbon atoms on the h-AlN surface of the vertical interface it exhibits magnetic properties. For the lateral arrangement of the monolayers, it was found that the structures are less stable if the concentration of h-AlN is increased. In addition, the elastic constants and the elastic moduli of the different configurations were found to evaluate the rigidity of these materials.