Estudio de nuevos materiales nanoestructurados : simulaciones de primeros principios y microscopía de efecto túnel

Abstract

Tesis (Doctor en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2026Fil.: Pantano, Fernando Ricardo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.Esta tesis doctoral presenta un estudio teórico y experimental integral de interfaces orgánico-inorgánicas basadas en materiales 2D para aplicaciones en optoelectrónica y fotoelectrocatalisis. Mediante simulaciones de primeros principios basadas en la teoría funcional de la densidad electrónica (DFT), se caracterizó la adsorción de melamina y melem sobre grafeno prístino y defectuoso (Stone-Wales), revelando energías de adsorción preferenciales en defectos, transferencia de carga interfacial y formación de dipolos que modulan la estructura electrónica. Se evaluó la captura de CO2 en interfaces melem/grafeno, sugiriendo aplicaciones catalíticas. Se investigaron monocapas autoensambladas (SAM) de melamina, melem y BPTB sobre grafito pirolítico altamente orientado (HOPG), identificando polimorfismos. Las SAM de melamina/melem actúan como plantillas porosas útiles para nanoestructuración. La microscopía STM visualizó estructuras polimórficas de SAM-BPTB sobre HOPG, correlacionados con simulaciones que explican contrastes atómicos y curvatura inducida. Las heteroestructuras grafeno/g-C3N4 exhiben alineación de bandas favorables para separación de cargas fotoexcitadas. Los resultados de este trabajo destacan el rol crítico de defectos estructurales y dipolos interfaciales en la funcionalización de superficies de grafeno para dispositivos energéticos sostenibles. Este trabajo sienta las bases para investigaciones futuras que incluyen heteroestructuras híbridas SAM/g-C3N4/GO, con elevada potencialidad para su uso en fotocatálisis, optoelectrónica y sensores.This doctoral thesis presents a comprehensive theoretical and experimental study of organic-inorganic interfaces based on 2D materials for applications in optoelectronics and photoelectrocatalysis. Using first-principles simulations based on density functional theory (DFT), the adsorption of melamine and melem on pristine and defective (Stone-Wales) graphene was characterized, revealing preferential adsorption energies at defects, interfacial charge transfer, and dipole formation that modulate the electronic structure. The capture of CO2 on melem/graphene interfaces was evaluated, suggesting catalytic applications. Self-assembled monolayers (SAMs) of melamine, melem, and BPTB on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) were investigated, identifying polymorphs. Melamine/melem SAMs act as porous templates useful for nanoengineering. Scanning tunneling microscopy (STM) visualized polymorphic structures of SAM-BPTB on HOPG, correlated with simulations explaining atomic contrasts and induced curvature. Graphene/g-C3N4 heterostructures exhibit band alignments favorable for photoexcited charge separation. The results highlight the critical role of structural defects and interfacial dipoles in graphene surface functionalization for sustainable energy devices. This work lays the foundation for future research that includes hybrid SAM/g-C3N4/GO heterostructures with high potential for photocatalysis, optoelectronics, and sensors.2028-03-31Fil.: Pantano, Fernando Ricardo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina