Estudio de primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la heteroestructura grafeno-monocapa de h-AlN
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...
- Autores:
-
Seña Ávila, Luis Alberto
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad de Córdoba
- Repositorio:
- Repositorio Institucional Unicórdoba
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- https://repositorio.unicordoba.edu.co/handle/ucordoba/8971
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- Palabra clave:
- Teoría del funcional de la densidad
Quantum ESPRESSO
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Teoría del funcional de la densidad Quantum ESPRESSO DOS PDOS Monocapa Conductor Heteroestructura Hı́brido Concentración Estructura de bandas Density functional theory Quantum ESPRESSO Band structure Monolayer Conductor Heterostructure Hybrid Concentration |
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Density functional theory Quantum ESPRESSO Band structure Monolayer Conductor Heterostructure Hybrid Concentration |
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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. |
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En: FlatChem 24 (2020) Xuefei Liu et al. “Tunable Electronic Properties of Graphene/g-AlN Heterostructure: The Effect of Vacancy and Strain Engineering”. En: Nanomaterials 9.12 (2019 de 2019), J. S lawi ́nska, I. Zasada y Z. Klusek. “Energy gap tuning in graphene on hexagonal boron nitride bilayer system”. En: Phys. Rev. B 81 (15 abr. de 2010) Yuki Sakai y Susumu Saito. “Electronic Properties of Graphene/h-BN Bilayer Super- lattices”. En: Journal of the Physical Society of Japan 81.10 (2012) Wikipedia. Ab initio quantum chemistry methods. ́Ultima modificaci ́on: 1 Novem- ber 2023. 2019. Nguyen Tuan Hung; Ahmad R. T. Nugraha; Riichiro Saito. Quantum ESPRESSO Course for Solid-State Physics. 1.a ed. Thomson Road , United Square Singapore: Jenny Stanford Publishing Pte. Ltd, 2023 N. M. R. Peres. “Colloquium: The transport properties of graphene: An introduction”. En: Rev. Mod. Phys. 82 (3 sep. de 2010), D. R. Hartree. “The Wave Mechanics of an Atom with a Non-Coulomb Central Field. 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Series A - Mathematical and Physical Sciences 150.869 (1935) ouglas Rayner Hartree y W. Hartree. “Self-consistent field, with exchange, for bery- llium - II—The (2¡i¿s¡/i¿) (2¡i¿p¡/i¿) ¡sup¿3¡/sup¿P and ¡sup¿1¡/sup¿P excited states”. En: Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences 154.883 (1936) P. Hohenberg y W. Kohn. “Inhomogeneous Electron Gas”. En: Phys. Rev. 136 (3B nov. de 1964), W. Kohn y L. J. Sham. “Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects”. En: Phys. Rev. 140 (4A nov. de 1965), Axel D Becke y Erin R Johnson. “Perspective: Fifty years of density-functional theory in chemical physics”. En: The Journal of Chemical Physics 140.18 (2014), ohn P. Perdew et al. “Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation”. En: Phys. Rev. B 46 (11 sep. de 1992), ohn P. 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Bj ̈orkman et al. “van der Waals Bonding in Layered Compounds from Advanced Density-Functional First-Principles Calculations”. En: Phys. Rev. Lett. 108 (23 jun. de 2012), |
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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.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.Índice de TablasÍndice de FigurasDedicatoriaAgradecimientosResumenIntroducciónAntecedentes y Estado ActualFundamento TeóricoCálculo de primeros principiosEcuación de SchrödingerAproximación de BornMétodo de HartreeMétodo de Hartree-FockProcedimiento de auto-consistenciaTeorı́a del Funcional de la DensidadTeorema de Hohemberg-KohnEcuaciones de Kohn-ShamMétodo de Campo Auto-Consistente (Self-Cosnsistent Field: SCF)Funcional de correlación e intercambioAproximación LDA (Local Density Approximation)Aproximación GGA (Generalized Gradient Approximation)Expansión en onda planasPseudopotencialesEstudio de la Monocapa de h-AlNMétodos y detalles computacionalesResultados y discusiónOptimización de la monocapa de h-AlNEstructura de bandas y densidad de estados de la monocapa de h-AlNPropiedades elásticas de la monnocapa de h-AlNEstudio de la Monocapa de GrafenoMétodos y detalles computacionalesResultados y discusiónOptimización de la monocapa de grafenoEstructura de bandas y densidad de estados de la monocapa de grafenoPropiedades elásticas de la monocapa de grafenoEstudio de la Interfaz grafeno/h-AlNInterfaz grafeno/h-AlNMétodos y detalles computacionalesResultados y discusiónRelajación de la interfaz grafeno/h-AlNPropiedades electrónicas de la interfaz grafeno/h-AlNPropiedades elásticas de la monocapa de la interfaz grafeno/h-AlNInterfaz grafeno/h-AlN con sustitución de un átomo de carbono por un nitrógeno en la monocapa de h-AlNEstructura de bandas de la interfaz grafeno/h-AlN con sustitución de un carbono en la monocapa de h-AlNInterfaz grafeno/h-AlN con sustitución de dos carbono en la monocapa de h-AlNEstructura de bandas de la interfaz grafeno/h-AlN con sustitución de dos átomos de carbono en la monocapa de h-AlNEstudio de la heteroestructura grafeno/h-AlN en disposición lateralConclusionesBibliografı́aPregradoFísico(a)Trabajos de Investigación y/o Extensiónapplication/pdfspaUniversidad de CórdobaFacultad de Ciencias BásicasMontería, Córdoba, ColombiaFísicaCopyright Universidad de Córdoba, 2025https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Estudio de primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la heteroestructura grafeno-monocapa de h-AlNTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionTextAmerican Physical Society. This Month in Physics History.Soumyabrata Roy et al. “Structure, Properties and Applications of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride”. En: Advanced Materials 33 (sep. de 2021).Lingling Zhao et al. “Probing the Thermodynamic Stability and Phonon Transport in Two-Dimensional Hexagonal Aluminum Nitride Monolayer”. En: The Journal of Physical Chemistry C 120 (nov. de 2016).Renato B. dos Santos et al. “Van der Waals stacks of few-layer h-AlN with graphene: an ab initio study of structural, interaction and electronic properties”. En: Nanotechnology 27 (2016)Xuefei Liu et al. “The External Electric Field-Induced Tunability of the Schottky Ba- rrier Height in Graphene/AlN Interface: A Study by First-Principles”. En: Nanomate- rials (Basel, Switzerland) 10 (sep. de 2020)Okikiola Olaniyan et al. “Tuning the electronic structure and thermodynamic pro- perties of hybrid graphene-hexagonal boron nitride monolayer”. 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2025restrictedhttps://repositorio.unicordoba.edu.coRepositorio Universidad de 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