Theoretical study of the electronic properties of 2D materials

Resumen

Los materiales 2D han sido estudiados desde hace mucho tiempo. Recientemente, desde el descubrimiento del grafeno en 2004 por los premios Nobel A. Geim y K. Novoselov, este tipo de materiales recibió atención de nuevo por parte de la comunidad científica. Debido a las excelentes propiedades que presenta el grafeno para hacer dispositivos y estudiar efectos cuánticos exóticos, ha habido mucho desarrollo en la fabricación y manipulación de este material. Esto ha conllevado, como consecuencia, a una mejora en las técnicas usadas para materiales 2D. En los últimos a~nos, los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs, por sus siglas en Ingles), han recibido mucha atención por parte de la comunidad científica. Esta familia de materiales presenta una gran variedad de propiedades electrónicas, desde comportamientos metálicos (como el caso del NbSe2) a semiconductores o aislantes (como el caso del MoS2). Incluso algunos son, como por ejemplo el NbSe2, superconductores. La atracción de estos materiales en la comunidad científica es debida, en gran parte, al descubrimiento de la transicion de un “gap” indirecto a uno directo cuando se exfolia una muestra de MoS2 hasta llegar al caso de tener una monocapa. Lo mismo ocurre en otros materiales semiconductores del tipo MX2 (por ejemplo, el WS2, MoSe2, WSe2, etc.). Debido al cambio en el carácter del “gap”, hay una gran variedad de posibles aplicaciones que se pueden conseguir con estos materiales: Desde dispositivos electrónicos a optoelectrónicos e, incluso, de detección molecular. Incluso se han fabricado transistores de efectos de campo combinando MoS2 o WS2 con grafeno. Además, el gran acoplo spín-órbita que existe en estos materiales, abre la posibilidad de controlar los grados de libertad como el acoplo del spín, el valle y el número de capas, lo que podría ser de utilidad para fabricar dispositivos basados en la spintrónica en un futuro. En esta tesis hemos estudiado las propiedades electrónicas de algunos de estos materiales: En el Capítulo 1 describimos brevemente los métodos usados a lo largo de la tesis para realizar los cálculos teoricos de las propiedades electrónicas de los materiales estudiados. En el Capítulo 2 desarrollamos un modelo de enlace fuerte para la familia de los TMDCs semiconductores del tipo MX2 y lo ajustamos a un cálculo de primeros principios. Este modelo es el que tiene la base de orbitales mínima que es capaz de reproducir la transición del gap de directo a indirecto cuando se a~naden capas al sistema. Después, debido al fuerte acoplo spín-órbita presente en este material, extendemos el modelo incluyendo dicho efecto. En el Capítulo 3 estudiamos una nueva posible familia de sustratos para grafeno, como lo son los TMDCs. Estudiamos la estructura y las propiedades electrónicas, como la estructura de bandas, la redistribución de carga y el dipolo de estas estructuras híbridas. Debido a que las propiedades electrónicas de los TMDCs cambian con el número de capas, también investigamos el efecto de añadir más capas al sistema. Finalmente, en el Capítulo 4 investigamos la superconductividad multibanda que presentan algunos materiales laminados como, por ejemplo, el MgB2 y NbSe2. Usando cálculos de primeros principios asignaremos cada uno de los “gaps” a una parte de la supercie de Fermi. Esta asociacion es estudiada desde un punto de vista experimental por el grupo de Dimitri Roditchev, en la Universidad de Pars-VI, con quien hemos establecido una colaboracion fructífera durante el desarrollo de esta tesis.