Electronic and thermal properties of graphene nanostructures

Resumen

La Nanociencia es una de las disciplinas de mayor relevancia en la actualidad debido a las nuevas e inesperadas propiedades que exhiben los materiales al reducir sus dimensiones. Sin embargo, para poder explotar estas propiedades de forma óptima en posibles aplicaciones, aún se necesita una mayor comprensión del comportamiento de la materia en la nanoescala. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el transporte electrónico y térmico en distintas nanoestructuras de grafeno, entre las que se incluyen nanoconstricciones, nanocintas de grafeno helicoidales y anillos de grafeno. Nanoconstricciones de grafeno Entre las excepcionales propiedades electrónicas del grafeno destaca el gran recorrido libre medio de los electrones, haciendo de este material un sistema ideal para estudiar fenómenos electrónicos en el régimen balístico. La cuantización de la conductancia es una de las señas de identidad del transporte cuántico balístico y, en el caso del grafeno, además, puede reflejar la conservación de la simetría de valle. En esta tesis analizamos el papel que juegan distintos factores en la cuantización de la conductancia en nanoconstricciones de grafeno. Entre los principales resultados encontramos que la simetría de valle se conserva más fácilmente en constricciones cortas, redondeadas y en presencia de bordes zigzag. También desarrollamos un nuevo y efectivo método que nos permite extrapolar resultados de sistemas pequeños a sistemas con tamaños experimentalmente realistas. La validez del método es comprobada comparando con medidas experimentales. Estos hallazgos podrían resultar en el diseño y fabricación de estructuras más óptimas y capaces de preservar tanto la cuantización de la conductancia como la simetría de valle. Cintas de grafeno helicoidales La geometría única de las estructuras helicoidales puede dar lugar a propiedades peculiares, especialmente cuando estas configuraciones son sometidas a un campo eléctrico. En esta tesis analizamos la deformación mecánica de las cintas de grafeno helicoidales y su impacto sobre las propiedades electrónicas, demostrando que su efecto es despreciable en los casos más relevantes. Además, observamos que la aplicación de un campo eléctrico transversal da lugar a una estructura de bandas similar a la de una superred. Finalmente, demostramos que estos sistemas pueden ser de gran utilidad para aplicaciones en nanoelectrónica, ya que el campo eléctrico nos permite obtener curvas IV similares a las de los transistores de efecto campo o los diodos túnel. Anillos de grafeno La gran longitud de coherencia de los portadores de carga en grafeno también nos permite estudiar efectos de interferencia cuántica, siendo los anillos de grafeno una de las estructuras más apropiadas para este fin. En esta tesis demostramos que una geometría asimétrica, o alternativamente la aplicación de un potencial lateral entre ambos brazos, puede dar lugar a formas abruptas y resonancias Fano en el espectro de transmisión electrónica. Estas características pueden resultar en una mejora de la eficiencia termoeléctrica. Sin embargo, para que dicha mejora sea efectiva, la conductividad térmica de la red debe verse altamente reducida. En esta tesis analizamos las propiedades térmicas de los anillos de grafeno, tanto a alta como a baja temperatura. Los resultados que obtenemos indican que por encima de una temperatura umbral, que va a depender de la geometría específica, la presencia de obstáculos degrada fuertemente la conductancia térmica. Por debajo de la temperatura umbral, los anillos de grafeno presentan un comportamiento inesperado, siendo mejores conductores térmicos que las nanocintas de la misma anchura. Proponemos la interferencia de fonones como posible explicación de este fenómeno contraintuitivo. En conclusión, demostramos que las estructuras de grafeno son unos dispositivos muy versátiles con potencial para futuras aplicaciones en nanoelectrónica, gestión térmica y termoelectricidad.