ABSTRACT Tin oxide (SnO2) has important applications, including as an elective material in the development of gas sensors. These devices improve their sensitivity and decrease their work temperature when the nanoparticle size is in the nanoscale order. Therefore, the gas sensor raises its efficiency noticeably. For this reason, the research of behavior at the nanoscale is essential. The total and surface formation energies of SnO2 nanoparticles (NPs) were determined by means of ab initio calculations at different concentrations and size near to 2.5 nm. The analysis shows that at higher concentration, higher structural stability is reached, in the range of 0 to 10 GPa (applied external pressures). In addition, it was possible to define a crystalline core region and a distorted layer in the NP by way of the atomic displacement study. Taking into account the importance of detecting the NP size by X-ray diffraction (XRD), the crystalline core dimension was estimated at 0 GPa. We obtained crystalline cores of 1.46 nm in the case of 1.9-, 2.0- and 2.2- concentrations, while this core was not observed at pressures of 5 and 10 GPa. Observing different regions in the densities of electronic states (DOS), we confirmed the core sizes in each NP.

RESUMEN El óxido de estaño (SnO2) tiene importantes aplicaciones, entre ellas como material de elección en el desarrollo de sensores de gases. Cuando el tamaño de partícula (NP) se reduce a la nanoescala, se observa un apreciable incremento en la eficiencia de dichos sensores, mejorando la sensibilidad y disminuyendo su temperatura de trabajo. Por este motivo, es esencial investigar su comportamiento a escala nanométrica. A partir de cálculos ab-initio, se determinaron las energías totales y de formación de superficie de nanopartículas de SnO2 con diferentes concentraciones y tamaño alrededor de 2.5 nm. El análisis muestra que, en el rango de presiones externas aplicadas de 0 a 10 GPa, la estabilidad estructural de las nanopartículas aumenta con el incremento de la concentración. Desde el estudio de los diagramas de desplazamientos atómicos fue posible determinar una región denominada núcleo cristalino y una capa distorsionada en la NP. Teniendo en cuenta la importancia para la detección del tamaño de las NP mediante difracción de rayos-X (DRX), se halló el tamaño del núcleo cristalino a P= 0 GPa, los cuales midieron 1.46 nm para concentraciones 1.9, 2.0 y 2.2 respectivamente. Este núcleo no fue visualizado para presiones de 5 y 10 GPa, y sus dimensiones fueron confirmadas mediante la observación de las densidades de estados electrónicas (DOS) de diferentes regiones en cada NP.

ABSTRACT This Zinc oxide (ZnO) is widely used in different electronic devices due to its thermal, electronic, and piro-piezoelectric properties. Some of these properties are noticeable improvement at the nanoscale, specially when ZnO together with other material create heterostructures. Recently, core/shell nanowires have been synthesized in order to raise the performance in devices like piezo-electronic sensors, photovoltaic cells, and optoelectronic devices. In this work, we introduce a theoretical study of structural, elastic and electronic properties of core/shell nanostructures of ZnO/X (X=ZnS, BeO) when they are subjected to uniaxial stresses in the [0001] direction. Hexagonal nanowires, whose diameters range from 1.5 to 2.8 nm, were ab-initio studied using the density functional theory, in the generalized gradient approximation (GGA), implemented in the SIESTA code. By applying uniaxial stresses, we calculated the Young modulus, maximum tensile, and both total (TDOS) and projected electronic density of states (PDOS). We have observed a degradation in the mechanical properties of core/shell nanowires with respect to ZnO nanowires. Depending on the external shells (BeO or ZnS), the core/shell nanowires became more insulator or more semiconductor. These results are important in nano electronic devices based on ZnO, in order to tailor their optoelectronic properties.

RESUMEN El óxido de Zinc (ZnO), por sus propiedades térmicas, electrónicas y piro-piezoeléctricas, es ampliamente usado en diversos dispositivos electrónicos. Algunas de estas propiedades mejoran notablemente en la nanoescala. Recientemente, se logró sintetizar nanohilos con estructuras core/shell de ZnO/X (X=ZnSe, ZnS, BeO) que mejoran la eficiencia de sensores piezoeléctricos, celdas fotovoltaicas y dispositivos optoelectrónicos. En este trabajo se presenta un estudio teórico de las propiedades estructurales, elásticas y electrónicas de nanoestructuras tipo core/shell de ZnO/X (X=ZnS, BeO), cuando son sometidas a deformaciones uniaxiales en la dirección [0001]. Nanohilos hexagonales con diámetros entre 1.5 y 2.8 nm fueron estudiados ab-initio usando la teoría de la funcional de la densidad (DFT) en la aproximación de gradiente generalizado (GGA), implementada en el código SIESTA. Mediante la aplicación de tensiones uniaxiales, se calcularon el módulo de Young, la tensión de ruptura y las densidades de estados electrónicos totales (TDOS) y proyectados (PDOS). Se ha observado una degradación de las propiedades mecánicas en los nanohilos core/shell con respecto a los de ZnO, ganándose a cambio la posibilidad de obtener un sistema con carácter más aislante o más semiconductor que el nanohilo de ZnO, dependiendo si las capas externas están compuestas por BeO o ZnS. Estos resultados son importantes para ajustar las propiedades optoelectrónicas del ZnO en la nanoescala.