Estudio de la infiltración de carbono en una matriz de silicio poroso empleando dinámica molecular

Abstract

En la presente investigación, se analizó la funcionalización de una matriz porosa de silicio (mSP) con átomos de carbono, a partir de la experimentación y la teoría computacional. En la parte experimental, las matrices se fabricaron por medio de obleas de silicio cristalino (cSi) tipo p mediante ataque electroquímico, y el óxido de grafeno (OG) se obtuvo mediante el método de Hummers mejorado para funcionalizar la mPS. Como resultado se obtuvieron compositos de carbono-silicio agregando GO en el electrolito durante el ataque. Los compositos de carbono-silicio se caracterizaron mediante Difracción de Rayos X (XRD) y Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). Para la parte computacional se desarrollaron simulaciones a través del uso de Dinámica Molecular, por medio del código LAMMPS y el potencial de tipo Tersoff, el cual es utilizado en simulaciones de sistemas atomísticos covalentes, como el silicio, el carbono y sus compuestos. De acuerdo con los resultados de la simulación se obtiene una mSP funcionalizado con átomos de carbono, lo cual se confirma con los resultados de XRD; por otra parte, mediante AFM se logró observar que la mSP es macroporoso y sus poros están distribuidos aleatoriamente. Mediante dinámica molecular se logró obtener un modelo de mSP y se funcionalizó con átomos de C, formándose aglomeraciones sobre las paredes de la mSP, indicando que el compuesto carbono-silicio se formó. In this work, we studied the functionalization of a porous silicon matrix (PSm) with carbon atoms infiltration, using molecular dynamics; the simulation and experimental results are discussed. MSP were fabricated from p-type crystalline Silicon (cSi) wafers by electrochemical etching, and graphene oxide (GO) was obtained by improved Hummer’s method in order to functionalize the PSm. A carbon-silicon composite was obtained by adding GO in the electrolyte during the etching. The carbon-silicon composite was characterized by X-ray Diffraction (XRD), and Atomic-Force Microscopy (AFM). For the computational part, simulations were developed through the use of Molecular Dynamics, using the LAMMPS code and the Tersoff-type potential, which is used in simulations of covalent atomistic systems, such as silicon, carbon and their compounds.. According with the simulation results, a PSm functionalized with carbon atoms is obtained, which is corroborated whit the XRD results. The PSm with an aleatory distributed macroporous are possible to observe on AFM images. Using molecular dynamics was possible to obtain the model of PSm on cSi and functionalize with C atoms forming agglomerations over the PSm walls which indicate the carbon-silicon composite.