Estructuras de carbono con incorporación de silicio
2024
| Tesista | Emiliano Javier DI LISCIA Licenciado en Física, UBA. - Argentina |
| Directora | Dra. María E. Reinoso. GAIDI, CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Dpto. de Materia Condensada, GAIDI, CNEA. - Argentina |
| Fecha Defensa | 18/10/2024 |
| Jurado | Dra. Adriana Marquez, Universidad de Buenos Aires- CONICET. - Argentina |
Título completo
Estructuras de carbono con incorporación de silicio
Resumen
Las formas sólidas de carbono siempre han sido importantes en el desarrollo de nuevas tecnologías. El silicio ha resultado un elemento de interés para combinar con el carbono por su afinidad química. En este trabajo estudiamos diversas formas alotrópicas del carbono en combinación con silicio.
Utilizamos métodos de síntesis de deposición química en fase vapor (CVD), diseñando y construyendo equipos para sintetizar diamante puro y dopado con silicio, un material que combina fullerenos y silicio, grafeno y siliceno. Se trabajó con CVD asistido por filamento caliente, por microondas, utilizando sustratos calientes con efectos catalíticos, e incluso PVD (deposición física en fase vapor) para el depósito de fullerenos.
Sintetizamos diamante de buena calidad y analizamos el estrés intrínseco en microcristales mediante mapeos por espectroscopia Raman. Para sintetizar microcristales dopados con silicio, utilizamos un precursor líquido (tetrametoxisilano en etanol) en lugar de silano, más frecuentemente utilizado pero que trae complicaciones de seguridad y mantenimiento de los equipos. Hallamos parámetros para maximizar la fotoluminiscencia de los centros de color del silicio, de interés en el uso de biomarcadores.
Sintetizamos un material compuesto por fullerenos y silicio, utilizando PVD y HFCVD, respectivamente. Se lo caracterizó por SEM, EDS, WAXS, XPS, espectroscopía Raman y se analizó su estabilidad térmica. Concluimos que se trata de un material cristalino, con fullerenos polimerizados a través de enlaces covalentes con silicio.
Simulamos materiales bidimensionales de carbono y silicio por DFT (teoría del funcional densidad), hallando que una mezcla 50-50 simétrica es la más estable entre las examinadas. Experimentalmente sintetizamos grafeno de gran calidad. Intentamos producir siliceno hidrogenado, aunque sin resultados determinantes y con la hipótesis de haber generado silicio nanocristalino.
Complete Title
Carbon structures with silicon incorporation
Abstract
Solid forms of carbon have always been important in the development of new technologies. Silicon has proven to be an element of interest for combining with carbon due to its chemical affinity. In this work, we studied various allotropes of carbon in combination with silicon.
We employed Chemical Vapor Deposition (CVD) synthesis methods, designing and building equipment to synthesize pure and silicon-doped diamond, a material that combines fullerenes and silicon, as well as graphene and silicene. We worked with Hot Filament CVD, Microwave Assisted CVD, using hot substrates with catalytic effects, and even Physical Vapor Deposition (PVD) for fullerene deposition.
We synthesized high-quality diamond and analyzed the intrinsic stress in microcrystals by Raman spectroscopy mapping. For synthesizing silicon-doped microcrystals, we used a liquid precursor (tetramethoxysilane in ethanol) instead of silane, which is more commonly used but brings safety and equipment maintenance complications. We identified parameters to maximize the photoluminescence of silicon color centers, which is of significant interest for their use in biomarkers.
We synthesized a material composed of fullerenes and silicon, using PVD and HFCVD, respectively. It was characterized by SEM, EDS, WAXS, XPS, Raman spectroscopy, and thermal stability analysis. We concluded that it is a crystalline material, with fullerenes polymerized through covalent bonds with silicon atoms.
We simulated two-dimensional materials composed of carbon and silicon using Density Functional Theory (DFT), finding that a symmetric 50-50 mix is the most stable among those examined. Experimentally, we synthesized high-quality graphene. We attempted to produce hydrogenated silicene, although the results were inconclusive, leading to the hypothesis that nanocrystalline silicon might have been generated instead.
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