Facultad de Ciencias Básicas - Departamento de Fı́sica y Electrónica
Modelamiento de una superficie y una monocapa a partir de un
material en volumen
Modeling of a surface and a monolayer from a bulk material
Raúl Meléndez
Universidad de Córdoba – Facultad de Ciencias Básicas – Departamento de Fı́sica y Electrónica
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Una de las ramas de la fı́sica es la fı́sica de materiales que comprende el estudio y desarrollo de nuevos materiales con
propiedades deseadas teórica y experimentalmente, como resistencia mecánica, conductividad eléctrica, resistencia
a la corrosión, entre otras, lo que es fundamental para mejorar las prestaciones de los productos y dispositivos
tecnológicos. Entre los diferentes tipos de estructuras que estudia esta rama destacamos dos; Las superficies y las
monocapas.
Su importancia radica en la capacidad de predecir y controlar las propiedades superficiales e interfaciales de los
materiales, mas especı́ficamente ayudan entender la conductividad y la superconductividad del material, ası́ como en
la investigación sobre la estructura y la dinámica de los sólidos. Esto es especialmente importante en aplicaciones
en las que las propiedades superficiales son crı́ticas, como en la ciencia de materiales, la quı́mica de superficies y la
ingenierı́a de materiales.
Individualmente hablando las superficies son fundamentales en la comprensión de muchos procesos fisicoquı́micos, debido a que son una pieza clave para estudiar la adsorción, difusión, catálisis y las interacciones entre las
moléculas en la ciencia de materiales. No es muy complicado entender el porque, comencemos por ver como se
sintetiza teóricamente una superficie; El proceso comienza con la selección del material en volumen deseado con
sus parámetros ya optimizados y la definición de su estructura cristalina (red + base). A continuación, se realiza un
çorte”perpendicular a un eje, por ejemplo el eje z.
Fig.1.Material siendo cortado perpendicularmente a un eje para la formación de una superficie[1].
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Ahora contamos con dos superficies, se elige la superficie ideal pa la ocasión, el problema ahora es que las superficies no cumplen la definición
de estructura cristalina, por lo que se simula una imagen virtual dejando un vacı́o en el eje donde se rompe la continuidad, recuperándola
virtualmente, este proceso se llama Slab periódico, finalmente volvemos a optimizar los parámetros con el fin de que la estructura sea lo
mas estable posible, con esto ya la superficie esta lista para ser usada en procesos de adsorción donde se inserta un átomo o molécula de
otra especie dentro de la superficie con el fin de observar las nuevas propiedades estructurales y electrónicas, para realizar todo el anterior
procedimiento se usa la aproximación de la teorı́a del funcional de la densidad o DFT, integrado dentro del código de Quantum Expresso. Es
posible simular diferentes condiciones ambientales y de temperatura para estudiar su efecto en la estructura.
Fig.2.Esquema Slab periodico de una superficie[1].
Por otra parte tenemos las monocapas, cuyo principal representante, el grafeno, ha demostrado las infinitas posibilidades que tienen este tipo
de materiales, alta resistencia estructural y térmica, buenos semiconductores y lo mas importante su bajo costo de producción le permite ser
usado en muchas áreas, su aplicación mas popular es en el de componentes electrónicos para aparatos cada vez mas ligeros y resistentes.
Teóricamente la sı́ntesis de estos materiales no se desvı́a mucho de las superficies, de hecho se sigue el mismo procedimiento con un paso
extra, en lugar de un solo corte perpendicular a un eje, se realizan dos para poder separar la monocapa del material, lo demás permanece
igual, se usa el esquema de Slab periódico con imágenes virtuales en dirección del eje cortado, se optimiza y se mide su estabilidad.
Fig.3.Material siendo cortado perpendicularmente a un eje para la formación de una monocapa[1].
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Practica I: Nombre del Trabajo
En resumen, de forma superficial el modelado de una superficie y una monocapa es un procedimiento necesariamente computacional el cual
modifica un volumen o Bulk transformándolo en algo que en términos de estructura es ”mas simple”pero no por ello menos complicado, en
este ensayo los procesos de sı́ntesis fueron superficialmente explicados, estos son procesos con mucha teorı́a fı́sica y matemática detrás pero
también con una aplicabilidad impresionante y necesaria para el avance de las nuevas tecnologı́as y con ello nuevas investigaciones en otras
ramas. Ya se ha hablado sobre lo importante que es el estudio de estos materiales, pero se hace necesario recalcar debido los beneficios que
traen este tipo de materiales, entre ellos; permite predecir, controlar y alterar las propiedades superficiales, interfaciales, y electromagnéticas
que en el material prı́stino podrı́a no ser posible.
Bibliografia
[1]C. Ortega Lopez. (2009). Adsorcion de atomos de Ru sobre la superficie (0001)GaN y superredes hexagonales (0001)GaN/RuN. Bogota.
Universidad Nacional.
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