El grafeno algunos aspectos

Presentación del tema: "El grafeno algunos aspectos"— Transcripción de la presentación:

1 El grafeno algunos aspectos
R. Baquero Departamento de Física Cinvestav

2 Graphene Wins Nobel Prize
The 2010 Nobel Prize in Physics has been awarded to the two researchers who performed the first experiments on graphene, a two-dimensional sheet of carbon atoms. The award, given to University of Manchester physicists Andre Geim and Konstantin Novoselov, recognizes work that began less than a decade ago on a material that's since been usedto make record-breaking transistors and stretchy electrodes. Graphene Wins Nobel Prize A pair of U.K. physicists are awarded the prize for demonstrating the material's unusual properties. 07/04/2017 Grafeno. RBP

3 Andre Geim Research Professor
factual summary - published over 150 peer-refereed papers including 14 Nature and Science articles and more than 20 papers in PRL and Nature Mater, Physics & Nano (see current research & selected publications) - more than 25 papers are cited >100 times with 3 cited >1,000 times - according to ScienceWatch, is responsible for initiating two research fronts (graphene & gecko tape) - also, notoriously ;-) known for levitating the frog Andre Geim Research Professor Born: 1958, Sochi, Russia Director of Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology Chair of Condensed Matter Physics U. of Manchester, UK 07/04/2017 Grafeno. RBP

4 UNA CURIOSIDAD INTERESANTE: GEIM HIZO LEVITAR UNA RANITA EN UN CAMPO MAGNÉTICO DE 16 TELSAS
07/04/2017 Grafeno. RBP

5 Konstantin Novoselov Born: 1974, Nizhny Tagil, Russia
Affiliation at the time of the award: University of Manchester, Manchester, United Kingdom Prize motivation: "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" 07/04/2017 Grafeno. RBP

6 TODO ESTO ESTÁ BASADO EN EL CARBONO
El átomo de carbono TODO ESTO ESTÁ BASADO EN EL CARBONO 2S2 2P2 2 n2 el/capa 1S2 07/04/2017 Grafeno. RBP

7 Las funciones de onda tipo 2p difieren en sus propiedades de las del tipo 2s. Las 2s no dependen del ángulo, mientras que las 2p si. Hay tres funciones de onda tipo 2p, 2px , 2py , 2pz . Difieren en la parte angular pero tienen la misma parte radial .La funcion 2pz es, por ejemplo: Donde: 07/04/2017 Grafeno. RBP

8 La parte radial (común) es
Y la parte angular (pz) es 07/04/2017 Grafeno. RBP

9 La función angular que representa a un orbital de tipo s es independiente del ángulo
07/04/2017 Grafeno. RBP

10 Parte angular de la función de onda de los orbitales p
07/04/2017 Grafeno. RBP

11 ¿ CÓMO SE ENLAZA ESTE ÁTOMO PARA COMPONER LAS DIFERENTES FORMAS EN QUE SE LE CONOCE, DE TAN DIFERENTES PROPIEDADES? 07/04/2017 Grafeno. RBP

12 R = pa i + qa j + ra k k j i a electrones

13 En un modelo clásico, los iones interactúan de acuerdo a la Ley de Hooke (resorte) y los electrones (de valencia en el átomo) o están libres o están ligados formando los enlaces.

14 a Semi-conductor y aislante
R = pa i + qa j + ra k k j i a Semi-conductor y aislante Los electrones se encuentran atrapados en los enlaces

15 σ π De amarre (bonding) Anti-enlace (anti-bonding)
Ejemplos de estados electrónicos en el enlace σ Anti-enlace (anti-bonding) π

16 Los electrones están “libres” dentro del espacio de la red
R = pa i + qa j + ra k k j i a Metal Los electrones están “libres” dentro del espacio de la red

17 METAL EN EL ESTADO NORMAL
¿CÓMO FUNCIONA TODO? bcc METAL RED UNA ESTRUCTURA DE BANDAS, SE CALCULA HACIENDO UNA HIPÓTESIS VÁLIDA CERCA DE LA TEMPRATURA , T=0K. SE SUPONE QUE LOS ELECTRONES SE MUEVEN EN EL POTENCIAL GENERADO POR LOS IONES EN SUS POSICIONES DE EQUILIBRIO Y SE DESPRECIA LA INFLUENCIA DEL MOVIMIENTO DE ESTOS SOBRE LOS ESTADOS ELECTRÓNICOS. ESTA APROXIMACIÓN, CONOCIDA CON EL NOMBRE DE BORN-OPPENHEIMER, FUNCIONA BIEN INCLUSO A TEMPERATURA AMBIENTE, POR LO GENERAL. HAY EXCEPCIONES. LOS ELECTRONES Y LA RED INTERCAMBIAN ENERGÍA Y MOMENTO EN PAQUETES LLAMADOS FONONES . UN FONÓN ES UNA CUASI-PARTÍCULA QUE TIENE LA ENERGÍA Y EL MOMENTO IGUAL A LA DIFERENCIA ENTRE DOS ESTADOS VIBRACIONALES. METAL EN EL ESTADO NORMAL ELECTRONES FONÓN ESTADOS VIBRACIONALES

18 donde Ef es la Energía de Fermi. A T=0K la esfera está llena.
LOS METALES se caracterizan por tener un “Mar de Fermi”. Se trata de una configuración tridimensional que permite situar y contabilizar los estados electróni-cos de la banda de conducción. En un modelo clásico de la energía de los electrones: E=P2/2m= 2 k2/2m, la configuración referida es una esfera. LOS ELECTRONES LIBRES +++ kf PRINCIPIO DE PAULI En este modelo, la Superficie de Fermi es una esfera de radio: kf=(2mEf)1/2/ donde Ef es la Energía de Fermi. A T=0K la esfera está llena. ¿Qué es el Estado Sólido?

19 SISTEMAS CRISTALINOS Y MOLÉCULAS QUE FORMA EL CARBONO
07/04/2017 Grafeno. RBP

20 EL DIAMANTE ES CONOCIDO POR SU DUREZA
Estructura del diamante EL DIAMANTE ES CONOCIDO POR SU DUREZA 07/04/2017 Grafeno. RBP

21 UVA Virtual Lab: Nanocarbon from Graphene to Nanotubes to Buckyballs
hybridization: a model that describes the changes in the atomic orbitals of an atom when it forms a covalent compound. sp3 One of the four hybrid orbitals formed by hybridization of an s orbital and three p orbitals. 07/04/2017 Grafeno. RBP

22 07/04/2017 Grafeno. RBP

23 "Graphene is a single planar sheet of sp²-bonded carbon atoms that are densely packed in a honeycomb crystal lattice. From a physicist point of view, graphene is the basic structural element for all other graphitic materials including graphite, carbon nanotubes and fullerenes." (Wikipedia) "Electrons in graphene, obeying a linear dispersion relation, behave like massless relativistic particles. This results in the observation of a number of very peculiar electronic properties - from an anomalous quantum Hall effect to the absence of localization - in this, the first two-dimensional material. It also provides a bridge between condensed matter physics and quantum electrodynamics, and opens new perspectives for carbon-based electronics." (M.I. Katsnelson) 07/04/2017 Grafeno. RBP

24 1- RED DE BRAVAIS DEL GRAFENO
EL PANAL DE ABEJAS (GRAFENO) NO ES UNA RED DE BRAVAIS NO PUEDO DEFINIR VECTORES PRIMITIVOS QUE ME CUBRAN TODOS LOS PUNTOS DE LA RED ¿CÓMO LLEGO AQUÍ? ¿CÓMO LLEGO AQUÍ? DEFINA VECTORES QUE PERMITAN REPRODUCIR TODOS LOS PUNTOS DEL ESPACIO BIDIMENSIONAL FORMADO POR UN PANAL DE ABEJAS. SI DEFINO UN SISTEMA DE COORDENADAS EN EL PUNTO A, LO QUE VEO EN C ESTA A 180 GRADOS. MIENTRAS QUE LO QUE VEO EN B COINCIDE.

25 ¿Qué es el Estado Sólido?
EL PANAL DE ABEJAS NO ES UNA RED DE BRAVAIS SI DEFINO UN SISTEMA DE COORDENADAS EN EL PUNTO A, LO QUE VEO EN C ESTA A 180 GRADOS. MIENTRAS QUE LO QUE VEO EN B COINCIDE. 1- RED DE BRAVAIS DEL GRAFENO ¿Qué es el Estado Sólido?

26 3- ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y REDES CON BASE.
LOS VECTORES PRIMITIVOS HACEN UN ÁNGULO DE 60° NO COINCIDE CON LA DEL LIBRO. ESTA ROTADA EL PANAL DE ABEJAS (EL GRAFENO)SI ES UNA RED DE BRAVAIS CON UNA BASE DE DOS ÁTOMOS DE CARBONO

27 Establecida la red de Bravais, la forma normal de calcular una estructura de bandas de cualquier sistema es definir la red recíproca . Esta se construye en el espacio recíproco y nos permite definir el momento cristalino, k, que es el número cuántico que se conserva. Este nos permite caracterizar los distintos estados que los electrones de conducción (“libres”) pueden ocupar en un espacio periódico. El momento, p, se conserva en el espacio libre real. El momento cristalino se conserva en el espacio “libre” con periodicidad dada, periodicidad impuesta por la simetría de la red. 07/04/2017 Grafeno. RBP

28 ¿Qué es el Estado Sólido?
CELDA DE WIGNER-SEITZ La celda de Wigner-Seitz de una red de Bravais cúbica centrada (CC). La figura que resulta es un octaedro truncado. Las caras hexagonales constituyen planos bisectores de la distancia entre el átomo central y el átomo ubicado sobre cada un de los vértices. ¿Qué es el Estado Sólido?

29 ¿Qué es el Estado Sólido?
Introducción al Estado Sólido. R. BaqueroO 1- Definición de Red Recíproca Consideremos una Red de Bravais. Está compuesta por todos los puntos: donde los ai son los vectores primitivos de la Red de Bravais. Consideremos también una onda plana de la forma exp(ik.r) Para que la onda plana tenga la periodicidad de la Red de Bravais, es necesario: (1) Esta condición, en general, se cumple sólo para ciertos valores escogidos de k. La serie de todos los vectores K que cumplen la condición (1) y que, por consiguiente, dan a la onda plana la periodicidad de la Red de Bravais, se llama Red Recíproca para esa Red de Bravais particular. Es decir, ¿Qué es el Estado Sólido?

30 ¿Qué es el Estado Sólido?
Introducción al Estado Sólido. R. Baquero De manera general, la Red Recíproca juega un papel fundamental en la mayoría de los estudios analíticos relacionados con estructuras periódicas. Difracción en cristales Estudio abstracto de funciones con la periodicidad de la Red de Bravais El problema de qué puede salvarse de la conservación de momento en sistemas donde la simetría de translación en el espacio libre se reduce a la del potencial periódico. ¿Qué es el Estado Sólido?

31 ¿Qué es el Estado Sólido?
Introducción al Estado Sólido. R. Baquero 1- Definición y propiedades de la Red Recíproca La relación se cumple trivialmente si definimos K ( ≡b) así: La Red Recíproca es una Red de Bravais: ¿Qué es el Estado Sólido?

32 ¿Qué es el Estado Sólido?
Introducción al Estado Sólido. R. Baquero RED RECÍPROCA DE UNA RED CÚBICA SIMPLE UNA CÚBICA SIMPLE RED RECÍPROCA DE UNA CCC (fcc) UNA CC de lado RED RECÍPROCA DE UNA CC (bcc) UNA CCC de lado RED RECÍPROCA DE UNA RED EXAGONAL UNA RED EXAGONAL ¿Qué es el Estado Sólido?

33 La RR de la CCC (fcc) es laCC (bcc).
Introducción al Estado Sólido. R. Baquero 2- PRIMERA ZONA DE BRILLOUIN La celda de Wigner-Seitz de la Red Recíproca se conoce con el nombre de Primera Zona de Brillouin y juega un papel muy importante en la descripción de la dinámica de interna (electrones y fonones, entre otras cosas) del cristal. El término Primera Zona de Brillouin, se aplica a la celda en el espacio k únicamente. La RR de la CCC (fcc) es laCC (bcc). La PZB de la CCC (fcc) es la celda de Wigner-Seitz de la CC (bcc) ¿Qué es el Estado Sólido?

34 TEORÍA DEL FUNCIONAL DE DENSIDAD
ES EN LA PRIMERA ZONA DE BRILLOUIIN DONDE BUSCAMSOS LA SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DE SHRODINGER. HAY MUCHOS MÉTODOS MUY BIEN TRABAJADOS HOY EN DIA. EL RESUADO ES MAPA QUE NOS DICE PARA QUE VALORES DE K DENTRO DE LA PZB EXISTEN ESTADOS ELECTRÓNICOS OCUPADOS (POR DEBAJO DEL NIVEL DE FERMI) Y VACÍOS (POR ENCIMA, ESTADOS EXCITADOS). WIEN-2K ABINIT HAMILT YBCO7 TEORÍA DEL FUNCIONAL DE DENSIDAD SIESTA INTEGRALES DE WEYLS 07/04/2017 Grafeno. RBP

35 LOS VECTORES PRIMITIVOS HACEN UN ÁNGULO DE 60°
B A NO COINCIDE CON LA DEL LIBRO. ESTA ROTADA ESTE HAMILTONIANO DESCRIBE EL SALTO DE UN ELECTRÓN DESDE UN PUNTO DE LA RED A OTRO PUNTO DE LA REDDE BRAVAIS

36 Continuum approximation to graphene: Dirac-Weyl equation
To see how the Dirac-Weyl equation arises from the particular symmetry and electron number of graphene is not difficult. First consider a simple tight-binding model for graphene 07/04/2017 Grafeno. RBP

37 here the sum i is over the sublattice A, while the sum a is over the 3 nearestneighbors to site i. This Hamiltonian just describes the ’hopping’ of electrons from sublattice A to B (and back), controlled by the parameter γ. This model is not necessary to derive the effective Dirac-Weyl equation (it can be done more generally) but it makes the derivation very simple, and is a very reasonable model for graphene in any case. 07/04/2017 Grafeno. RBP

38 VECTORES DE LA RED RECÍPROCA
RE DE BRAVAIS VECTORES DE LA RED RECÍPROCA (TAMBIEN HEXAGONAL) O a PRIMEROS VECINOSS 07/04/2017 Grafeno. RBP

39 LOS ELEMENTOS DE MATRIZ DEL HAMILTONIANO SON
PARA TOMAR EN CUENTA LA PERIODICIDAD, LA FUNCIÓN DE ONDA TIENE QUE SER DEL TIPO BLOCH LOS ELEMENTOS DE MATRIZ DEL HAMILTONIANO SON 07/04/2017 Grafeno. RBP

40 LOS ELEMENTOS DE MATRIZ DEL HAMILTONIANO SON
LOS OTROS DOS ELEMENTOS DE MATRIZ SON IGUALE S Y PUEDEN PONERSE COMO EL ORIGEN DE LA ENERGÍA 07/04/2017 Grafeno. RBP

41 LA ECUACIÓN DE SHRÖDINGER QUEDA:
LOS EIGENVALORES DAN: 07/04/2017 Grafeno. RBP

42 USANDO OBTENEMOS 07/04/2017 Grafeno. RBP

43 07/04/2017 Grafeno. RBP

44 ESPERAMOS UN COMPORTAMIENTO TOTALMENTE DIFERENTE AL DEL ELECTRÓN LIBRE
LINEAL EN K Y EN K’ ESPERAMOS UN COMPORTAMIENTO TOTALMENTE DIFERENTE AL DEL ELECTRÓN LIBRE NIVEL DE FERMI 07/04/2017 Grafeno. RBP

45 HACEMOS UNA EXPANSIÓN DE F(k ) ALREDEDOR DEL PUNTO K:
CON EL FIN DE ESTUDIAR MEJOR EL EFECTO DE ESA LINEARIDAD PODEMOS CONSTRUIR UN HAMILTONIANO QUE ES VÁLIDO ÚNICAMENTE ES ESOS PUNTOS DE LA ZONA DE BRILOUIN (K Y k’) HACEMOS UNA EXPANSIÓN DE F(k ) ALREDEDOR DEL PUNTO K: LAS COORDENADAS DEL PUNTO K SON: 07/04/2017 Grafeno. RBP

46 ECUACIÓN DE DIRAC-WEYL
POR CONSIGUIENTE LOS ESTADOS EXCITADOS DE BAJA ENERGÍA CON MOMENTO CRISTALINO ALREDEDOR DEL PUNTO K, NO SE GUÍAN POR LA ECUACIÓN DE SCHRÖDINGER SINO POR ESTA ECUACIÓN QUE NORMALMENTE SE APLICA A PARTÍCULAS COMO LOS NEUTRINOS, ES DECIR, A PARTÍCULAS RELATIVISTAS DE MASA CERO. LA ECUACIÓN DE DIRAC-WEYL SE OBTIENE DE LA ECUACIÓN DE DIRAC PONIENDO LA MASA EN REPOSO IGUAL A CERO. ECUACIÓN DE DIRAC-WEYL 07/04/2017 Grafeno. RBP

47 ESTE AMILTONIANO SE PUEDE TAMBIÉN EXPRESAR DE ESTA FORMA
ELECTRONES E>0 AGUJEROS E<0 07/04/2017 Grafeno. RBP

48 LA CHIRALIDAD ES UN BUEN NÚMERO CUÁNTICO PARA EL GRAFENO
Chirality (mathematics) A figure is chiral if it is not identical to its miror image, or more particularly if it cannot be mapped to its mirror image by rotations and translations alone. Chirality in two dimensions In two dimensions, every figure which possesses an axis of symmetry is achiral (non-chiral), and it can be shown that every bounded achiral figure must have an axis of symmetry. 07/04/2017 Grafeno. RBP

49 LOS ELECTRONES TIENEN CHIRALIDAD POSITIVA Y LOS HUECOS NEGATIVA
LA CHIRALIDAD EN EL CASO DEL GRAFENO COMO NÚMERO CUÁNTICO ES LA PROYECCIÓN DEL MOMENTO EN LA DIRECCIÓN DEL SEUDO-ESPÍN: LOS ELECTRONES TIENEN CHIRALIDAD POSITIVA Y LOS HUECOS NEGATIVA 07/04/2017 Grafeno. RBP

50 “THE FACT THAT THE LOW ENERGY EXCITATIONS ARE GOVERED BY SUCH A EXTRANGE EQUATION IS CLEARLY GOING TO MAKE THE PHYSICS OF GRAPHENE VERY DIFFERENT FROM THAT OF e.g. COPPER” 07/04/2017 Grafeno. RBP

51 ALGUNAS PROPIEDADES ENTRE LAS MÁS SOBESALIENTES
1- EL PRIMER CRISTAL REALMENTE BI-DIMENSIONAL 2- EFECTO HALL ANÓMALO 3- UN SEMICONDUCTOR DE BRECHA CERO 4- SE COMPORTA COMO UNA PARTÍCULA RELATIVISTA E MASA CERO 5- AUSENCIA DE LOCALIZACIÓN 6- UN PUENTE REAL ENTRE EL ESTADO SÓLIDO Y LA ELECTRODINÁMICA CUÁNTICA 07/04/2017 Grafeno. RBP

52 ES UN CAMPO QUE ESTARÁ DE MODA POR MUCHOS AÑOS.
CONCLUSIÓN: EL GRAFENO ES UN MATERIAL NOVEDOSO DESDE MUCHOS PUNTOS DE VISTA QUE DEVELA UNA NUEVA FÍSICA EN EL ESTADO SÓLIDO QUE REPRESENTA UN PUENTE MUY INTERESANTE DESDE EL PUNTO DE VISTA TEÓRICO ENTRE EL ESTADO SÓLIDO Y LA ELECTRDINÁMICA CUÁNTICA. SUS APLICACIONES TECNOLÓGICAS POSIBLES LO CONVIERTENEN EL “MATERIAL DEL FUTURO” HA UNA GRAN ACTIVIDAD EN ESTE CAMPO QUE TENDRÁ CONSECUENCIAS EN LO TEÓRICO, LO EXPERIMENTAL Y LO APLICADO. ES UN CAMPO QUE ESTARÁ DE MODA POR MUCHOS AÑOS. 07/04/2017 Grafeno. RBP