Estudio teórico de propiedades físicas de nuevos materiales bidimensionales del grupo VI

Abstract

En el presente trabajo se estudian las propiedades estructurales, mecánicas, electrónicas, termodinámicas y termoeléctricas de nuevos materiales 2D del grupo VI (selenene y tellurene). Además, se analizan los efectos de los defectos sustituyentes y adsorbatos atómicos en estos materiales. Estos cálculos se basan en la teoría funcional de la densidad (DFT), utilizando el método proyector de ondas aumentadas (PAW) y la aproximación de gradiente generalizado (GGA) de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) para el potencial de intercambio y correlación. Adicionalmente, se aplicó el funcional de Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) para una mejor precisión de las propiedades electrónicas. Inicialmente se calculan las propiedades físicas del selenio y telurio en la fase trigonal A8, y debido a su disposición en tricapas unidas mediante fuerzas Van der Waals, se utilizó la corrección Grimme para describirlos. Los parámetros obtenidos para estas estructuras están en buen acuerdo con los datos experimentales reportados. Posteriormente, se predice la estabilidad vibracional de la monocapa de selenio llamada selenene. Para tal fin se estudian las fases estructurales alpha, beta y gamma, mediante las curvas de dispersión de fonones. En la fase alpha el selenene no tienen modos imaginarios en ningún punto, lo que indica que el material es vibracionalmente estable. Esta fase puede obtenerse espontáneamente a partir de las tres capas de selenio a lo largo de la dirección [001] en la estructura trigonal del volumen. Estos resultados se comparan con los obtenidos para la monocapa de Telurio. La estructura electrónica calculada para ambos materiales muestran un carácter semiconductor para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas. Respecto a las propiedades elásticas se observa que el tellurene es un material más blando que el selenene. Adicionalmente, los parámetros de transporte eléctrico indican que el selenene y tellurene son materiales termoeléctricos prometedores, ofreciendo una alternativa para recuperar el calor residual y transformarlo en electricidad. Finalmente se analizan los cambios inducidos por los defectos atómicos sobre las propiedades de la monocapa de selenio. Para tal propósito se estudió la estabilidad energética de los adsorbatos S, Se, Pt, Te, Sb y Sn en posiciones de alta simetría. Las energías de adsorción de los adatoms en su posición más estable están entre -1,46 eV para el Te y -4,44 eV para el Pt. Con respecto a la sustitución, el Pt presenta la mayor estabilidad en la posición intermedia con una energía de formación de -150.5 meV. Cuando se adsorben átomos ó se realizan sustituciones, cambian las propiedades electrónicas del material, hasta el punto que se reduce la brecha de energía resultando en una transición de semiconductor a metal. Estos resultados muestran que la ingeniería de defectos es eficaz para sintonizar la banda electrónica para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica. Por otro lado, encontramos que la monocapa de selenio con sustitución de Sn en la capa intermedia presenta un valor máximo de ZT =1.0, mientras que la monocapa de selenio limpia tiene un valor máximo de ZT =0.98. Estos resultados muestran que el enfoque de sustituciones intermedias es más favorable para aumentar la figura de merito adimensional. Lo cual indica que la monocapa de Selenio con defectos son materiales termoeléctricos prometedores, ofreciendo una alternativa para la generación de energía.