Propiedades electrónicas en sistemas de grafeno y materiales relacionados

Resumen

Comprender el comportamiento electrónico de los materiales a escala na- nométrica es fundamental en el desarrollo de futuras aplicaciones tecnológicas. A esta escala las propiedades de los materiales están fuertemente determinadas por los efectos cuánticos que tienen lugar en ellos. Por ello, entre 1 y 100 nm el diseño de experimentos y la posterior interpretación de los resultados puede resultar una ardua tarea si no se han realizado previamente cálculos teóricos. En esta tesis se exponen los estudios realizados en sistemas confinados de grafeno formados por bloques básicos de grafeno, anillos cuánticos y puntos cuánticos de grafeno, así como en cristales de puntos cuánticos de InAs/GaAs. Las magnitudes físicas que han sido calculadas en cada caso resultan muy útiles en aplicaciones prácticas de los distintos dispositivos, así como en procesos de fabricación e identificación de estos. El trabajo se ha dividido en tres bloques fundamentales que son el estudio de la dinámica de paquetes de onda en dispositivos de grafeno (puntos y anillos cuánticos), el estudio de la transmisión de electrones a través de nanografenos en función del número y de la posición de los átomos enlazantes a contactos metálicos y por último el análisis de la modificación de la estructura de mini- bandas de cristales de puntos cuánticos en presencia de defectos. En este último caso se ha utilizado un ejemplo práctico con puntos cuánticos de InAs/GaAs. A continuación se muestra un resumen del trabajo realizado en cada uno de estos bloques. En el segundo capítulo, la regeneración de paquetes de onda gaussianos ha sido estudiada en anillos cuánticos de grafeno, tanto monocapa como bicapa, durante su evolución temporal tanto en presencia de campos magnéticos perpendiculares como en ausencia de estos. Para ello se ha utilizado la función de autocorrelación. A partir de los resultados obtenidos se ha observado que el tiempo de regeneración es un observable capaz de distinguir entre anillos monocapa y bicapa de grafeno. Asimismo, las regeneraciones de los paquetes de onda muestran la rotura de la degeneración de los valles K y K'. De este modo se destaca el potencial del observable tiempo de regeneración para aplicaciones en qubits. Por otra parte con el producto de Fisher-Shannon se ha estudiado la diná- mica de paquetes de onda considerando para ello un sistema formado por un ani- llo cuántico de grafeno en ausencia de campo magnético. Durante la evolución temporal de los paquetes de onda ha sido posible observar que los tiempos de re- generación y las regeneraciones fraccionarias aparecen como mínimos relativos. Por ello, se destaca la capacidad del producto de Fisher-Shannon en el estudio de la regeneración de paquetes de onda. La evolución temporal de los paquetes de onda fue estudiada también en puntos cuánticos de grafeno monocapa en campos magnéticos. Durante la evolución temporal de los paquetes de onda además del tiempo clásico y del tiempo de regeneración, se ha obtenido el Zitterbewegung, ZB. Este consiste en un movimiento ultrarápido del electrón en torno a su trayectoria clásica. Los tres tipos de periodicidades se han estudiado en función del campo magnético perpendicular y del radio del punto cuántico. De este modo se ha establecido un radio crítico a partir del cual el sistema se vuelve independiente del radio y con ello, las periodicidades se aproximan a las de una lámina infinita de grafeno. Además, se ha constatado que nuevamente los periodos clásico y de regeneración muestran la rotura de la degeneración de valles, a diferencia de lo que ocurre con respecto al ZB. En el tercer capítulo se han estudiado las características de la transmisión de electrones en otros dispositivos basados en grafeno consistentes en bloques moleculares de antraceno y benceno conectados a dos electrodos metálicos se- miinfinitos mediante ¿tomos de azufre. La inyección y drenado de los electrones en el sistema ha sido realizada por los electrodos metálicos, los cuales, debido a sus diferentes potenciales electroquímicos han dejado al sistema fuera del equilibrio. Para realizar el estudio de la transmisión se han empleado la Teoría del Funcional de la Densidad, DFT y las Funciones de Green Fuera del Equi- librio, NEGF. En los distintos dispositivos moleculares se ha analizado cómo afectan las uniones contacto-molécula, en función de la posición y número de átomos de azufres, sobre la transmisión y la corriente eléctrica a través de es- ta. Asimismo se ha estudiado el papel de la nube pi sobre la transmisión. Los resultados obtenidos muestran la implicación directa de los átomos de azufre sobre la transmisión en dispositivos moleculares de grafeno. Por tanto, estos constituyen una herramienta muy útil en el diseño de dispositivos con uniones de nanografenos-electrodos. Por ultimo, en el cuarto capítulo se ha realizado un estudio con supracristales de puntos cuánticos de InAs/GaAs. En este tipo de estructuras se ha analizado la influencia de la rotura de la periodicididad en cristales de puntos cuánticos perfectos sobre la energía de minibandas de estos. Para ello se ha considerado que la rotura de la periodicidad estaba causada por la presencia de defectos en el cristal. Estos defectos se definieron como cambios en el volumen de un punto cuánticos respecto a un punto cuántico perfecto. De este modo, han sido consi- derados dos tipos de defectos extremos: vacantes y puntos amplios. Estos tipos de defectos se han estudiado en cristales de puntos cuánticos con tres volúme- nes diferentes y tres formas diferentes en cada volumen. Por su forma los puntos cuánticos analizados se han clasificado como puntos cuánticos planos, cúbicos, y elongados. Mediante este modelo es posible realizar una aproximación más realista a la estructura de minibandas de un cristal de puntos cuánticos ya que los defectos de volumen son habituales en procesos de fabricación de cristales de puntos cuánticos. Por ultimo, a partir del análisis de las dos primeras miniban- das se ha estudiado cómo la presencia de defectos influye en el gap del sistema. Esta tesis se presenta como compendio de artículos, los cuales se encuentran anexados a los distintos capítulos. De este modo cada capítulo consta de una in- troducción, una descripción de objetivos, metodología y resultados que preceden a los artículos en los que se ha publicado los resultados de esta tesis doctoral.