Efectos del dopaje y la temperatura sobre las propiedades térmicas de hetero-estructuras de C/BN y su potencial uso como sensor ambiental del formaldehído

Abstract

Se estudia la influencia del dopaje y de la temperatura sobre las propiedades físicas de hetero-estructuras hexagonales principalmente basadas en carbono y nitruro de boro tanto uni- y bi-dimensionales, este estudio se divide en tres partes. Por un lado, se estudia el efecto del dopaje de nitruro de boro en nanotubos de carbono armchair (6, 6) (hetero-nanotubos de nitruro de boro y carbono) sobre las propiedades del transporte cuántico de fonones y electrones, variando patrones de distribución y concentración de dopaje. Por otro lado, se estudia la forma como afecta la temperatura del sustrato sobre las propiedades del transporte térmico clásico en hetero-nanocintas de grafeno/nitruro de boro hexagonal y nitruro de boro hexagonal/grafeno, e influenciados por la asimetría estructural. Análogamente, también se estudia el efecto de la temperatura media y bias en hetero-nanocintas de grafeno/X (X=nitruro de boro hexagonal, carburo de silicio hexagonal, y grafeno hidrogenado), afectados por dos tipos de interfaces (zigzag y armchair). Por último, se estudia las propiedades electrónicas del proceso de adsorción de la molécula del Formaldehído (CH2O) sobre el sustrato de nitruro de boro hexagonal hidrogenado. Para ello, la metodología empleada en estos trabajos consistió en el uso de tres métodos computacionales; las funciones de Green fuera del equilibrio (NEGF) en combinación con el método de la teoría del funcional de la densidad basado en tight-binding (DFTB), dinámica molecular fuera del equilibrio (NEMD), y cálculos de la teoría del funcional de la densidad, respectivamente. Por un lado, los resultados respecto al efecto del dopaje sobre el transporte cuántico muestran que al aumentar la concentración del dopaje en los hetero-nanotubos de nitruro de boro y carbono armchair (6, 6), los coeficiente de transmisión fonónico y electrónico se reducen, este comportamiento ocurre a frecuencias altas y cerca de los bordes de la banda de valencia y conducción, respectivamente. Los patrones de distribución de dopaje helicoidal y horizontal permiten un transporte de fonones adecuados cuantificados en una alta conductancia de fonones a 300K. Todos los hetero-nanotubos de nitruro de boro y carbono armchair (6, 6) poseen un comportamiento semiconductor a diferencia del nanotubo de carbono armchair (6, 6) con un bandgap modulable respecto a la concentración de dopaje de nitruro de boro. Por otra parte, los resultados del efecto de la temperatura del sustrato sobre el transporte térmico clásico en las hetero-nanocintas muestran que existe una influencia que incrementa la rectificación térmica (>30 %) a temperaturas bajas (>300K) para el sustrato de Si(100), esto debido al acople fuerte tipo Van der waals entre el sustrato y la hetero-nanocinta de nitruro de boro hexagonal/grafeno. Además, la asimetría estructural tipo-T genera una rectificación térmica en sistemas puros y hetero-nanocintas de grafeno/nitruro de boro hexagonal y nitruro de boro hexagonal/grafeno, este efecto está relacionado con los cambios en el grado de localización de los modos vibracionales de frecuencias altas . Sin embargo, la resistencia térmica interfacial y la rectificación térmica se reducen con la temperatura media en las XIV hetero-nanocintas de grafeno/X, independientemente de la interface armchair o zigzag, debido a que el flujo térmico en direcciones opuestas llegan a ser similares a altas temperaturas. El efecto de la temperatura bias, en la curva J − α, determina que el fujo térmico tiene una preferencia marcada en la dirección de X al grafeno, observando el fenomeno de la resistencia térmica diferencial negativa en los sistemas de grafeno/nitruro de boro hexagonal y grafeno/grafano. Por último, la trayectoria de mínima energía, la densidad de estados total y la densidad de estados proyectada del proceso de adsorción muestran que la molécula formaldehído, CH2O, se quimisorbe sobre el sustrato de hBN hidrogenado con una energía de adsorción de 1.42eV mediante vacancias de hidrógeno en el átomo de B, donde también la distribución de densidad de espín y la transferencia de carga presentan evidencias de la existencia de una reacción en cadena de moléculas CH2O sobre el sustrato de nitruro de boro hexagonal.