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

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1 Simulaciones atomísticas para nanodispositivos Blanca Biel Electrónica y Tecnología de Computadores

2 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

3 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

4 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)

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

6 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

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

8 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) DFT-LDA FIREBALL code MoS2: 6x4 single layer Keldysh-Green’s functions formalism

9 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

10 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

11 STM simulation of atomic defects in MoS2: S antisite
Mo monovacancy with substitutional S V= (high voltage) V= (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 = V Strong dependence on applied voltage González et al. Nanotechnology (2016)

12 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

13 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

14 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!