Centros de color en nitruro de boro hexagonal y heteroestructuras de Van der Waals

Abstract

En esta tesis buscamos entender los mecanismos básicos que actúan en una heteroestructura de Van der Waals (vdW) cuando esta contiene en una de sus capas defectos como centros de color. Usaremos centros de color alojados en nitruro de boro hexagonal (h-BN) y los estudiaremos bajo el marco de la Teoría Funcional de la Densidad (DFT). Uno de los aspectos mas relevantes de los centros de color es su espín, y la posibilidad de usarlo para aplicaciones. La manipulación del espín puede ser una de las grandes ventajas que pueden ofrecer las heterostructuras de Van der Waals. Lamentablemente, hasta la fecha, no sabemos la naturaleza atómica de defectos asociados a estados de alto espín (S = 1 o mayor) en h-BN. Con lo anterior en mente, la parte de mayor interés en esta tesis se centra en la búsqueda de defectos con un espín S = 1. Estudiamos el comportamiento de defectos basados en sustituciones de carbono, que han sido identificados como centros de color en h-BN y grandes candidatos como emisores de un solo fotón (SPE), calculamos la línea de cero fonones (ZPL) siendo uno de los parámetro que caracteriza los centros de color. Estudiamos los monómeros de sustitución de carbono de boro (nitrógeno), CB (CN) y luego su interacción como par donante-aceptor (DAP por sus siglas en ingles: donor-acceptor pairs) a distintas distancias. Continuamos con el comportamiento de dos defectos puntuales de la misma especie (CNCN y CBCB) variando, análogamente al caso anterior, la distancia entre sí. Encontramos que en algunos dímeros de la misma especie, el estado triplete resulta ser más estable. Particularmente, tenemos el caso de un defecto particular compuesto por CNCN a una distancia ~ 5.0 A, que presenta un estado triplete ~ 0;5 eV mas estable en comparación al singlete. Luego estudiamos la heterostructura de vdW más simple para este material, la bicapa de h-BN. La simpleza de este sistema radica en que no existen estados adicionales a los del defecto en el band gap fundamental. Los principales mecanismos involucrados en la bicapa son (i) un potencial electrostático derivado a la naturaleza polar de la otra capa de h-BN, y (ii) un aumento en el apantallamiento de la interacción electrón-electrón. Estos mecanismos los explicamos mediante un modelo sencillo de pocos niveles energéticos. Finalmente, buscamos entender la heterostructura formada por grafeno/h-BN. A pesar de su aparente similitud con el caso anterior, es fuertemente distinto: la capa de grafeno no induce interacciones electrostáticas locales, pero sí tiene estados electrónicos cubriendo todo el band gap fundamental del h-BN. Obtuvimos que la interacción entre los defectos aumenta en comparación al sistema simple de la monocapa de h-BN. Esta interacción se encuentra mediada producto de la presencia del grafeno. Este mecanismo se puede racionalizar con un modelo de tight-binding de dos niveles, evidenciando el efecto que provoca en el hopping la aplicación de un reservorio al sistema. En ambas heteroestructuras, se ha calculado la ZPL notando un aumento de casi ~ 0;1 eV que puede ser entendido mediante los mecanismos mencionados, que parasistemas más complejos estarían presentes de manera recurrente