Simulaciones atomísticas para nanodispositivos Blanca Biel Electrónica y Tecnología de Computadores biel@ugr.es

Simulaciones atomísticas para nanodispositivos Metodología – Simulaciones ab initio basadas en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) (~ métodos tight-binding) – Sin parámetros ajustables, puramente mecano-cuánticas – Detalles a escala atómica ¿Qué obtenemos? – Obtención de propiedades estructurales, electrónicas y de transporte de materiales (estructura de bandas, densidad de estados, conductancia, funciones de onda, …) – Transporte cuántico: funciones de Green

Simulaciones atomísticas para nanodispositivos ¿Qué estudiamos? – Nuevos materiales para aplicaciones opto-electrónicas – Materiales bidimensionales (2D): Grafeno y materiales bidimensionales (MoS2, fosforeno, …) para su utilización como sensores moleculares – Estudio de defectos estructurales (vacantes, grain boundaries) y químicos (dopantes) – Propiedades electrónicas y de transporte de nanografenos – Aplicaciones en nanoelectrónica: impacto de contactos, sustratos, parámetros para simuladores (masas efectivas, etc.) – Caracterización con microscopios de efecto túnel y de fuerzas atómicas

Simulaciones atomísticas para nanodispositivos Ejemplos: sensor para detección de gases nitromethane (NM) CH3NO2 triethylamine (TEA) N(CH2− CH3)3 Molécula de trietilamina (TEA) sobre MoS2 en un sustrato de SiO2 TEA (orbital HOMO)

Simulaciones atomísticas para nanodispositivos Función de onda en nanobandas de grafeno dopadas con un átomo de boro Conductancia Estructura de bandas Ejemplo de nanografeno

Motivation: selected defects pristine Mo vacancy Mo vacancy+S Mo vacancy+2S S vacancy S vacancy+Mo S di-vacancy S di-vacancy+Mo S di-vacancy+2Mo

Motivation: selected defects Are all defects equivalent (in electronic terms)?

Theoretical STM model Au(111) tip H = HTip+ Hinteraction+ Hsample J. M. Blanco, F. Flores, and R. Perez, Prog. in Surf. Sci. 81, 403 (2006) P. Jelinek et al., Phys. Rev. B 71 (2005) 235101 DFT-LDA FIREBALL code MoS2: 6x4 single layer Keldysh-Green’s functions formalism

STM simulation of pristine MoS2 monolayer Clean monolayer: V = -0.1 (occupied states) Triangular pattern (WSxM software) STM simulated images S atoms Mo atoms Constant height mode 4.0 Å, 4.5 Å, 5.0 Å No changes with distance Voltage range ~ -2V – 3.4V

STM simulation of pristine MoS2 monolayer Clean monolayer: V = -0.1 (occupied states) Triangular pattern V = +1.9 (empty states) Asymmetric hexagonal pattern (WSxM software) STM simulated images S atoms Mo atoms Constant height mode 4.0 Å, 4.5 Å, 5.0 Å No alterations with distance Voltage range ~ -2V – 3.4V Geometry effects DOS compensation V=+1.9: ¿es DOS de Mo suficientemente alta para el cambio?  S de algo a nada

STM simulation of atomic defects in MoS2: S antisite Mo monovacancy with substitutional S V= + 1.9 (high voltage) V= + 0.5 (low voltage) Subs-S on same plane as Mo  lower contribution to current than other S Asymmetric position of subs-S  Sharp peak in DOS of far S neighbor  change of contrast V = - 1 V  same contrast as for V = + 0.5 V Strong dependence on applied voltage González et al. Nanotechnology 27 105702 (2016)

Theoretical AFM model Non-contact AFM (FM-AFM) DFT calculations: VASP code Initial distance: 5 Å Steps of 0.25 Å Relaxation of whole system in each step Range: 2 Å - 5 Å Non-contact AFM (FM-AFM) R. García and R. Pérez Surf. Sci. Rep. 47 (2002) 197

AFM simulations of pristine MoS2 monolayer Tip interaction  analysis of charge density: Bond between Cu tip and S atom No bond between Si tip and S atom Most attractive point for a Cu tip approaching a S atom Most attractive point for a Si tip approaching a S atom Cu tip more reactive

AFM simulations of atomic defects in MoS2 Cu tip: distance(Å) force (nN) vacS+Mo vacS vacMo vacMo+S vacMo+S2 vacS2 vacS2+Mo vacS2+Mo2 Most attractive force  over a Mo vacancy Capture of apex atoms!