Simulación de películas ultradelgadas de GaN-ZnO no polares para aplicaciones en fotocatálisis

Abstract

El uso de algunos recursos energéticos, tales como el petróleo, el carbón y el gas natural, producen serios efectos negativos en el planeta, como la emisión de gases de efecto invernadero, el calentamiento global y la contaminación de las aguas, por lo que es urgente utilizar energías más limpias. La fotocatálisis del agua es considerada un proceso ambientalmente sostenible, la cual se lleva a cabo mediante un fotocatalizador semiconductor. Muchos semiconductores potenciales para la fotocatálisis del agua tienen un ancho de banda prohibida muy grande para la absorción de luz visible y, por lo tanto, presentan bajas eficiencias bajo la luz solar. En trabajos previos, se demostró, con base en cálculos DFT, que las soluciones sólidas de ZnO-GaN o ZnS-GaP son fotocatalizadores prometedores. Las soluciones sólidas tienen brechas de banda ajustables que dependen tanto de la composición como del ordenamiento atómico. Por ejemplo, a diferencia del GaP puro, que tiene una brecha de banda indirecta, la adición de una pequeña cantidad de ZnS al GaP da lugar a una solución sólida con una brecha de banda directa en el rango de la luz visible. Las películas ultradelgadas a menudo tienen estructuras y propiedades que difieren sustancialmente de las del sólido. En ese sentido, la variación del grosor de las películas ultradelgadas y la formación de heteroestructuras puede resultar en una forma eficiente de modular las propiedades físicas y químicas para obtener un fotocatalizador eficiente bajo luz visible. En particular, se presentarán resultados obtenidos mediante cálculos periódicos DFT adoptando funcionales híbridos con el fin de evaluar las propiedades termodinámicas y fotocatalíticas de películas ultra delgadas de GaN-ZnO, tales como el ancho de banda prohibida, la posición de las bandas de valencia y conducción respecto de los potenciales redox, cálculos de masa efectiva y constante dieléctrica.

Keywords: fotocatálisis; nanoestructuras; DFT