Materiales bidimensionales: intercambio electrónico en colisiones con iones de baja energía.

Abstract

Los materiales 2D son materiales cristalinos formados por una sola capa de átomos o moléculas. El grafeno es un ejemplo paradigmático de material 2D. La investigación en el área está incentivada por las inusuales propiedades que presentan estos materiales que podrían aplicarse en campos tan diversos como semiconductores, energía fotovoltaica, catálisis, purificación de agua, etc. Una de las características destacables de estos materiales es la débil interacción entre capas (fuerzas de Van der Waals) comparada con la fuerte interacción covalente entre los átomos de una capa. Esta característica hace que estos materiales sean relativamente fáciles de preparar por exfoliación mecánica o química ("top-down"). Otra propiedad particular que presentan estos materiales es que su estructura electrónica de bandas cambia sustancialmente cuando es comparada con la correspondiente estructura de bandas de los materiales 3D. Por otro lado, es conocido que la estructura electrónica de un dado material juega un papel clave en el fenómeno de transferencia de carga en procesos dinámicos (colisiones) con distintos átomos. En este proyecto nos proponemos explorar, y caracterizar como las distintas características de la estructura electrónica de los materiales 2D afecta los distintos procesos de intercambio de carga en colisiones de iones con materiales 2D, en particular sulfuro de molibdeno y grafeno. Se pretende abordar el problema tanto desde el punto de vista teórico como experimental. Desde el punto de vista teórico, se implementarán métodos DFT para el cálculo de las propiedades electrónicas de estos sistemas y se utilizará este resultado en modelos propios basados en primeros principios para describir la interacción estática y dinámica de átomos y moléculas con estas superficies, dirigiendo el esfuerzo a la comprensión de los mecanismos básicos que regulan tanto la interacción estática superficie-adsorbato como la interacción dinámica superficie-proyectil. Desde el punto de vista experimental se medirán las fracciones de iones (H, Li, He, N) dispersadas por materiales 2D con adsorbatos alcalinos o sin ellos, utilizando la técnica de dispersión de iones de baja energía (LEIS) en un rango de energía de 1 a 10keV y para varias configuraciones geométricas de ángulos de entrada/salida. Los resultados teóricos y experimentales se contrastarán para, de ese modo, razonar sobre la relevancia de cada uno de los ingredientes físicos en el problema a analizar.

Two-dimensional materials (or 2D materials) are crystalline materials formed by a single layer of atoms or molecules. Graphene is a paradigmatic example of a 2D material. Research in the area is encouraged by the unusual properties of these materials that could be applied in fields as diverse as semiconductors, photovoltaic energy, catalysis, water purification, etc. One of the outstanding characteristics of these materials is the weak interaction between layers (Van der Waals forces) compared to the strong covalent interaction between the atoms of a layer. This feature makes these materials relatively easy to prepare by mechanical or chemical exfoliation. Another particular property of these materials is that their electronic band structure substantially changes when compared to the corresponding band structure of 3D materials. On the other hand, it is known that the electronic structure of a given material plays a key role in the phenomenon of charge transfer in dynamic processes (collisions) with different atoms. In this project we propose to explore, and characterize how the different characteristics of the electronic structure of 2D materials affect the different processes of charge exchange in ion collisions with 2D materials, in particular molybdenum sulfide and graphene. We plan to make a theoretical and experimental approach to the problem. From the theoretical point of view, DFT methods will be implemented for the calculation of the electronic properties of these systems and this result will be used in our own models based on first principles to describe the static and dynamic interaction of atoms and molecules with these surfaces, focusing the efforts in understanding the basic mechanisms that regulate both static surface-adsorbate interaction and dynamic surface-projectile interaction. From an experimental point of view, the ion fractions (H, Li, He, N) dispersed by 2D materials with or without alkaline adsorbates will be measured using the low energy ion dispersion technique (LEIS) in a range of energy 1 to 10keV and for various geometric configurations. The theoretical and experimental results will be contrasted in order to reason on the relevance of each of the physical ingredients present in the problem.