Modelización DFT de la depositación de monocapas metálicas en superficies: metales en semiconductores: Ag/Ge (111) y Pb/Si (111)

Jessica Cuesta, PhD. Silvia González

Universidad Técnica Particular de LojaIngeniería QuímicaInstituto de Química AplicadaFísico química computacional de materiales

• Estudiar las interacciones entre Ag/Ge y Pb/Si para explicar la formación de las diferentes estructuras que forman estos sistemas.

• Explicar los cambios en las energía superficiales observados en los sistemas formados por monocapas de Ag en Ge y Pb en Si.

• Estudiar las distintas propiedades de estos sistemas para poder justificar sus aplicaciones futuras.

Objetivos

Nanomateriales• La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis,

manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia.

IntroducciónPlataEs un metal de transición blanco, brillante, blando, dúctil, maleable.La plata, que posee las más altas conductividades térmica y eléctrica de todos los metales, se utiliza en puntos de contacto eléctricos y electrónicos.PlomoEs un metal gris azulado, blando y pesado. Se utiliza en aleaciones para la fabricación de acumuladores, forros para cables, elementos de construcción, pigmentos, soldadura suave y municiones.

GermanioEs un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo. Presenta la misma estructura cristalina que el diamanteSe aplica en fibras ópticas, en electrónica, aleaciones SiGe, etc.SilicioForma parte de la familia de los carbonoides. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.Debido a que es un material semiconductor, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica.

Mecanismos de crecimiento

Tres mecanismos conocidos:• Velmer Weber (VM)• Frank van der Merwe (FV)• Stranski Krastanov (SK)

Experimental

• Basile, L.; Hong,Hawoong; Czoschke, P.; Chiang, T. C., X-ray studies of the growth of smooth Ag films on Ge (111) –c 2x8. Applied Physics Letters 2004, 84 (24).

• Czoschke, P.; Hong, Hawoong; Basile, L.; Chiang, T. C., Quantum size effects in the surface energy of Pb/Si (111) film nanostructures studied by surface x-ray diffraction and model calculations. Physical Review 2005, 72 (075402).

Metodología

Debido a que es un estudio teórico utilizamos el siguiente software:• VASP (Vienna Ab initio Simulation Package)

basado en DFT (Teoría de la Densidad del Funcional).

• Materials Studio, usado para modelar estructuras posibles

• VMD para visualizar las estructuras

CristalesPlata Plomo

Estructura: FCCParámetro de red

Experimental: 4.0853Å

Teórico: 4.16Å

Estructura: FCCParámetro de red

Experimental: 4.9508Å

Teórico: 5.0301Å

Estructura: diamante

Parámetro de redExperimental:

5.6575ÅTeórico: 5.7785Å

Estructura: diamante

Parámetro de redExperimental:

5.4309ÅTeórico: 5.4904Å

Germanio

Silicio

SuperficiesElement

oAg

Corte 1 1 1 Celda c -3x5

Nº capas 6Nº

átomos75

Enlace Ag-Ag

2.94

Elemento GeCorte 1 1 1 Celda c -2x4

Nº capas 12Nº átomos 192Enlace Ge-

Ge2.50

Sistema Ag/Ge

Elemento

Pb

Corte 1 1 1 Celda c -4x3

Nº capas

6

Nº átomos

72

Enlace Pb-Pb

3,557

Elemento SiCorte 1 1 1 Celda c -4x3

Nº capas 12Nº átomos 288Enlace Si-

Si2.377

Sistema Pb/Si

Resultados:

Energías atómicas

Energía superficial endotérmica

Sistema Ag/Ge

Energía bulk es menor que la energía del slab

GERMANIO

# ML E slab E bulk# at

E superficial E/atom

12 -805,24 -817,87 192 6,31 -8,5211 -738,20 -743,67 176 2,73 -8,4510 -669,71 -674,28 160 2,29 -8,439 -600,81 -613,50 144 6,35 -8,528 -533,75 -539,36 128 2,80 -8,437 -465,23 -470,01 112 2,39 -8,396 -396,29 -409,24 96 6,48 -8,53

PLATA#

ML E slab E bulk# at

E superficial E/atom

6 -222,67 -232,95 90 5,14 -2,595 -183,44 -194,20 75 5,38 -2,594 -144,86 -146,83 60 0,98 -2,453 -105,82 -116,42 45 5,30 -2,592 -67,15 -77,84 30 5,34 -2,591 -30,01 -27,93 15 -1,04 -1,86

Sistema Pb/Si

Energías atómicas

Energía superficial endotérmica

Energía bulk es menor que la energía del slab

SILICIO#

ML E slab E bulk# at

E superficial E/atom

12 -1421,01 -1448,34 288 13,67 -10,0611 -1293,58 -1314,61 264 10,52 -9,9610 -1180,29 -1190,78 240 5,25 -9,929 -1058,90 -1086,25 216 13,67 -10,068 -939,46 -952,53 192 6,53 -9,927 -818,19 -828,69 168 5,25 -9,876 -696,85 -724,16 144 13,65 -10,06

PLOMO#

ML E slab E bulk # atE

superficial E/atom6 -116,84 -123,23 72 3,20 -1,715 -95,97 -103,03 60 3,53 -1,724 -75,55 -82,62 48 3,54 -1,723 -54,87 -61,60 36 3,37 -1,712 -34,45 -41,45 24 3,50 -1,731 -14,58 -19,99 12 2,71 -1,67

Sistema Pb/Si

Pb_Si

nombre#at Ge #at Ag E bulk E slab Esup

si11_pb1 264 12 -1357,78 -1349,13 4,33si10_pb2 240 24 -1272,48 -1264,19 4,14si9_pb3 216 36 -1186,47 -1179,93 3,27si8_pb4 192 48 -1104,64 -1096,67 3,99si7_pb5 168 60 -1027,76 -1019,22 4,27si6_pb6 144 72 -943,82 -936,63 3,59

Distancia teórica

Radio covalente

2,5Å 2,58Å

Sistema

Ag/Ge

Distancia teórica

Radio covalente

2,70Å 2,75Å

Ag_Ge

nombre#at Ge

#at Ag E bulk E slab Esup

ge11_ag1 176 15 -780,18 -769,41 5,38

ge10_ag2 160 30 -741,85 -733,00 4,43

ge9_ag3 144 45 -706,74 -697,13 4,80

ge8_ag4 128 60 -670,35 * *

ge7_ag5 112 75 * * *

ge6_ag6 96 90 -601,72 * *

Conclusiones:• La energía de bulk disminuye conforme aumenta el

número de monocapas para cada elemento.• Las energías obtenidas son endotérmicas, esto concuerda

con los trabajos experimentales, ya que se necesitó energía para la depositación.

• En el caso de Pb/Si, es más estable cuando se depositan 3, 4 y 6 monocapas de Pb.

• Respecto a los método de crecimiento, para el sistema Ag/Ge se puede observar una tendencia al mecanismo VM.

• En cambio para el sistema Pb/Si se logró observar una tendencia al mecanismo SK.

• Los datos obtenidos de las distancias en la interfaz son similares al radio covalente teórico de este enlace.

Trabajo a futuro• Realizar cálculos para poder obtener

propiedades electrónicas de los sistemas, lo cual determinaría en si el comportamiento de estos, como propiedades magnéticas y su conductividad eléctrica y calórica, logrando así justificar sus aplicaciones

Gracias