Diseño computacional multiescala de nanomateriales y su integración en dispositivos MEMS con funcionalidad óptica

Abstract

En la presente tesis doctoral se presenta un modelo teórico de materiales con aplicación en micro-dispositivos mecano-ópticos, aplicando fundamentos de la física cuántica para el estudio de sistemas a escala atómica y molecular, empleando para este fin métodos de primeros principios (Ab-initio), basados en la teoría de la funcional densidad, implementada en los diferentes esquemas Linear Augmented Plane Wave Method (LAPW) y de Ab-initio norm conserving pseudopotentials, a partir de los mismos se obtuvieron las estructuras de bandas, densidades de estados, corrección de muchos cuerpos electrón-electrón (GW) para los estados excitados, propiedades ópticas, módulos de bulk, densidad de portadores, tensores elásticos y piezoeléctricos. Esta caracterización física de materiales posteriormente se acopla al diseño teórico y simulación de dispositivos MEMS, aplicando fundamentos y métodos de la ingeniería a microescala tanto en el diseño como en el análisis funcional de estos. Para su diseño consideramos mecanismos óptimos de producción y micro-fabricación; y para el análisis y predicción cuantitativa de su funcionamiento, aplicamos métodos de resolución de elementos finitos (FEM), que involucran variables multifísicas que describen el comportamiento de estos sistemas. De esta manera proponemos dos modelos de MEMS y realizamos la caracterización del mecanismo de funcionamiento, para cada uno, mostrando la factibilidad de los mismos.

In this thesis is presented a theoretical model of materials with applications in micro - mechano -optical devices , using foundations of quantum physics to the study of systems at atomic and molecular level, using for this purpose first principles methods ( Ab initio ) based on density functional theory, implemented in different schemes augmented plane wave Linear Method ( LAPW ) Ab- initio and conserving pseudopotentials norm , from the these,the band structures , densities of states, correcting many electron-electron (GW ) bodies for the excited states , optical properties, bulk modules , carrier density , elastic and piezoelectric tensors are obtained. The physical characterization of materials is subsequently coupled to the theoretical design and simulation of MEMS devices, applying the fundaments and methods for engineering in microscale both in the design and the functional analysis of these.For its design we consider optimal production mechanisms and micro-fabrication, and for analysis and quantitative prediction of their operation, we apply resolution methods of finite element method (FEM), involving multiphysics variables that describe the behavior of these systems. Thus we propose two models of MEMS and perform the characterization of the mechanism of operation for each, showing the feasibility of them.