Simulaciones numéricas en sistemas de baja dimensionalidad superficies semiconductoras y nanotubos de carbono

Resumen

SIMULACIONES NUMÉRICAS EN SISTEMAS DE BAJA DIMENSIONALIDAD: SUPERFICIES SEMICONDUCTORAS Y NANOTUBOS DE CARBONO El trabajo realizado durante el periodo de disfrute de la beca y que constituye el grueso de la tesis doctoral de la becaria ha seguido dos líneas de investigación distintas. En la primera, llevada a cabo durante los dos primeros años de la beca, hemos estudiado la formación de la barrera Schottky durante la metalización de superficies semiconductoras y su capacidad de reacción con diversos metales. Los dos últimos años de beca se han dedicado al estudio del transporte electrónico en nanotubos de carbono con defectos. Para estudiar estos sistemas tan diferentes hemos utilizado un código de primeros principios, denominado Fireball'96, que combina la teoría del funcional de la densidad con orbitales atómicos localizados y que permite realizar simulaciones de dinámica molecular de forma rápida y precisa. Los resultados obtenidos en cada una de las dos líneas de investigación desarrolladas durante el periodo de disfrute de la beca han sido confirmados por trabajos de grupos experimentales con los que hemos colaborado durante este tiempo; como fruto de nuestros cálculos y de las colaboraciones con estos grupos hemos publicado varios artículos en diversas revistas de investigación. - Estudio de la barrera Schottky en la metalización de superficies semiconductoras. Utilizando el código antes mencionado analizamos la formación de la barrera Schottky de la superficie (100) de GaAs pasivada con Se. El método utilizado puede resumirse de la siguiente manera: Primeramente buscamos las geometrías más favorables energéticamente formadas al depositar (en pasos sucesivos), uno o dos átomos de los metales estudiados (Ga, In o Sb) por celda unidad de la superficie; seguidamente, analizamos la densidad electrónica de estados y calculamos el nivel de Fermi de la intercara entre el metal y la superficie pasivada y la altura de la barrera Schottky. Hemos encontrado que la altura de la barrera depende esencialmente de la geometría de la intercara entre la superficie pasivada y el metal depositado sobre ella. En particular, en el caso de Ga y de In, para los que se produce un proceso de intercambio de esos átomos con los átomos de Se empleados para la pasivación, encontramos una barrera Schottky con la altura esperada, mientras que para el caso de Sb, que no reacciona con el Se. se produce un contacto óhmico entre la superficie pasivada y el metal. Nuestros cálculos ponen de manifiesto la importancia de la geometría particular de la intercara en la formación de la barrera Schottky, ya que distintas geometrías dan lugar a alturas de la barrera muy diferentes. Estos resultados, que pueden ser de gran importancia en el diseño de dispositivos electrónicos, han sido confirmados por experimentos de fotoemisión realizados por en la Universidad de Chemnitz. - Transporte electrónico en nanotubos de carbono; Los nanotubos de carbono son láminas de grafeno enrolladas sobre sí mismas que han suscitado gran interés desde su descubrimiento en 1991 por sus propiedades electrónicas y estructurales. Hoy en día los nanotubos, considerados cristales cuasi-unidimensionales, tienen una gran importancia tanto por su aplicación en tecnología como por su utilidad para comprobar algunos efectos de física básica. Utilizando el mismo código de primeros principios hemos realizado simulaciones de dinámica molecular para estudiar cómo afectan distintos tipos de defectos al transporte electrónico en nanotubos de carbono metálicos de tipo armchair. Los defectos que hemos elegidos son vacantes y divacantes, defectos que aparecen como resultado de la irradiación con iones de Ar. Se han estudiado nanotubos de los tipos (5,5), (7,7) y (10,10), y se han analizado los cambios en la conductancia para distintas temperaturas y concentraciones de defectos. Hemos encontrado que las divacantes modifican fuertemente la dependencia con la energía de la conductancia diferencial, mientras que el efecto de las monovacantes es mucho menor; además, la presencia de divacantes reduce el número de canales que contribuyen a la conducción electrónica de dos canales (caso ideal) a uno. Un pequeño número de divacantes - entre cinco y nueve para el caso de los nanotubos de tipo (10,10) - produce efectos de localización de Anderson y una curva (aparentemente universal) para la resistencia como función del número de defectos. Temperaturas bajas de entre 15 y 65 Kelvin bastan para suavizar las fluctuaciones de la conductancia sin destruir la dependencia exponencial de la resistividad como función de la longitud del tubo. Conocer con detalle el efecto que la presencia de monovacantes y divacantes produce en las propiedades de transporte electrónico en los nanotubos de carbono es esencial para el diseño y la implementación de dispositivos basados en nanotubos. Asimismo, hemos comprobado que el régimen de localización de Anderson se mantiene incluso a temperatura ambiente. Los experimentos realizados en la Universidad Autónoma de Madrid por nuestros colaboradores corroboran estas conclusiones. Durante el periodo de disfrute de la beca se han publicado los siguientes artículos de investigación: - Metallization and Schottky-barrier formation for Se-passivated GaAs(1 0 0) interfaces (Blanca Biel, Isabel Benito, César González, José Manuel 1 Blanco, José Ortega, Rubén Pérez y Fernando Flores), Applied Surface Science 190, 475 (2002) - Schottky contacts on passivated GaAs(1 0 0) suríaces: barrier height and reactivity (T. Kampen, A. Schüller, D, R. T. Zahn, Blanca Biel, José Ortega, Rubén Pérez y Fernando Flores), Applied Surface Science 234, 341 (2004) - Tuning the conductance of single-walled carbón nanotubes by ion irradiation in the Anderson localization regime (O Gomez-Navarro, P. J. De Pablo. J. Gomez-Herrero, B. Biel, F. J. Garcia-Vidal, A. Rubio y F. Flores), Nature Materials 4, 534 (2005) - Anderson localization in carbón nanotubes: defect density and temperature effecls (Blanca Biel, F. J. Garcia-Vidal, Ángel Rubio y Fernando Flores). Physical Review Letters 95 266801 (2005)