Computational approach to the study of the structure-properties relationship in 2D materials

Abstract

Este trabajo se centra en el estudio de las estructuras y propiedades del fósforo negro y su subestructura monocapa denominada fosforeno. El estudio comprende tres grandes apartados: un estudio de la formación del fósforo rojo a partir del fósforo blanco para entender el mecanismo de polimerización, un estudio de las propiedades electrónicas del fósforo negro y sus subestructuras formadas por capas de fosforeno, y la reactividad del fosforeno frente a diferentes especies atómicas. Para el primer apartado se utilizó el paquete de química cuántica ORCA para simular moléculas pequeñas. Para los otros dos apartados se utilizó el paquete de cálculo de estructura electrónica y modelado de materiales a escala nanométrica Quantum Espresso. Para entender la polimerización de las moléculas de fósforo se optimizaron por separado las estructuras de P4 y de los aniones. A continuación, se situaron los aniones y la molécula de P4 a una distancia cercana, y se optimizó el sistema, lo que permitió observar las interacciones entre las moléculas y cuantificar las cargas para cada átomo en las nuevas estructuras obtenidas. El mecanismo de formación se basa en la propagación de cargas: los átomos de fósforo cargados negativamente activan nuevas moléculas de fósforo blanco, uniéndose entre sí, lo que extiende la estructura y forma fósforo rojo. El estudio de la estructura cristalina del fósforo negro nos permitió corroborar y reproducir resultados reportados en la literatura; al reducir el número de capas del material, el band gap aumenta. Esto se logró mediante la optimización de las estructuras, cálculos de SCF y cálculos de bandas. Además, se observó el comportamiento de diferentes pseudopotenciales para determinar cuáles producen valores de band gap e información estructural más cercanos a los experimentales. Por último, se estudiaron las interacciones del fosforeno con átomos de Litio, Berilio, Aluminio, Flúor y Cloro. Los cálculos de optimización nuevamente ayudaron a obtener las estructuras más estables de las cuales podemos extraer información como la energía de adsorción. El análisis de carga de Bader nos permitió entender cómo se distribuyen las cargas electrónicas cuando los átomos son adsorbidos a la superficie del fosforeno y cómo impacta en la densidad electrónica del fosforeno. El berilio mostró una fuerte capacidad de donar carga al fosforeno, mientras que el flúor produce el efecto opuesto, siendo el halógeno el que retira la mayor carga.