Líneas de investigación

Proyecto Conacyt A1-S-9070

Noboru Takeuchi se ha especializado en el estudio de las propiedades estructurales, electrónicas, dinámicas y magnéticas de sólidos, líquidos, sólidos amorfos y nanoestructuras. En particular, ha estudiado las propiedades de superficies metálicas y semiconductoras y su modificación con el depósito de átomos y moléculas.

Algunas de las áreas en la que el Dr. Takeuchi está trabajando actualmente incluyen entre otras:

1. 1 Funcionalización de superficies semiconductoras con moléculas orgánicas
   La introducción de la química orgánica en los semiconductores, puede traer nuevas aplicaciones. La habilidad de las moléculas orgánicas para adsorber y emitir luz a ciertas frecuencias, de detectar moléculas, o de reconocer muestras biológicas son ejemplos de algunas aplicaciones que se podrían extender a la tecnología de los semiconductores. El uso de dispositivos basados en monocapas (nanoestructuras 2D) de compuestos orgánicos, ya es usado en aplicaciones prácticas reales. Sin embargo, el mecanismo de cómo reaccionan estas monocapas con la superficie semiconductora es algo que no se conoce muy bien. Los trabajos del doctor Takeuchi empiezan a explicar dichos mecanismos, lo cual podría resultar en mejores y más eficientes procesos.

1. 2 Ingeniería de la banda prohibida
   Es una técnica poderosa para el diseño de nuevos materiales y dispositivos semiconductores. La idea es poder variar la banda prohibida de manera arbitraria y continua. De esta manera las propiedades de transporte de los electrones y los agujeros se pueden ajustar de forma independiente y continua para una aplicación determinada. El grupo del Dr. Takeuchi ha encontrado que es posible ajustar el tamaño de la banda prohibida del nitruro de galio por medio de heterojunciones con otros nitruros como el InN, ScN e YN, variando el número de capas. También ha demostrado que es posible ajustar la banda prohibida de sistemas bidimensionales, tales como el fosforeno azul, aplicando una deformación. De estos enfoques pueden emerger una nueva generación de dispositivos con capacidades únicas, que van desde diodos emisores de luz hasta fotomultiplicadores de estado sólido.

1. 3 Catalizadores de un solo átomo
   la selectividad en la catálisis es clave para muchos procesos industriales, pero es difícil de controlar. En los llamados catalizadores de un solo átomo, un componente catalítico se aísla dentro de una segunda fase para agregar una funcionalidad clave pero que de otro modo no estaría disponible. El grupo del Dr. Takeuchi en colaboración con investigadores de la Universidad de California encontraron, usando métodos teóricos y experimentales, que el uso de aleaciones metálicas que consisten en átomos individuales de Pt diluidos en nanopartículas de Cu promueven la hidrogenación selectiva de aldehídos no saturados, resultando en la formación de alcoholes, una reacción de interés en la fabricación de productos químicos finos.

1. 4 La Reacción de reducción de oxígeno (ORR)
   es una reacción de gran interés, ya sea para la aplicación de energía alternativa en celdas de combustible o para la producción in situ de peróxido de hidrógeno en aplicaciones de remediación ambiental. Usando métodos teóricos y experimentales, el Dr. Takeuchi y sus colaboradores estudiaron el mecanismo atómico involucrado en el ORR en materiales de carbono grafito dopado con nitrógeno. Sus resultados teóricos y experimentales muestran bajo qué condiciones se forma peróxido de hidrógeno o agua.

1. 5 Materiales para espintrónica y almacenamiento de datos
   mientras que los dispositivos electrónicos convencionales están construidos de componentes desarrollados a partir de la carga eléctrica, la espintrónica se propone fabricar nuevos componentes que permitan manipular el espín electrónico. El grupo del Dr. Takeuchi, en colaboración con colegas de la U. de Ohio, ha estudiado la formación de interfaces semiconductor/magnéticas o ferromagnéticas/ antiferromagnéticas con el uso de nitruros metálicos, con propiedades nuevas tales como asimetría magnética y “spin bias”.

1. 6 El uso de nanoestructuras bidimensionales para atrapar y descomponer moléculas contaminantes.
   Moléculas como el dióxido de azufre son muy contaminantes y entre otras cosas, son responsables de la lluvia ácida. Como consecuencia, tiene importantes impactos negativos en la salud humana y en el medio ambiente. Por lo tanto, sacarlo del aire es una necesidad. El grupo del Dr. Takeuchi ha propuesto el uso de siliceno (una sola capa de átomos de Si), no solo para detectar moléculas de dióxido de carbono (y otras moléculas contaminantes), sino también para inactivarlas por completo.

1. 7 Estudios a nivel molecular de las reacciones asociadas con la deposición de capas atómicas (ALD del inglés Atomic Layer Deposition).
   ALD se basa en el uso alternativo de dos o más reacciones auto-limitantes y complementarias para depositar materiales sobre superficies sólidas una monocapa a la vez. Las técnicas ALD se han desarrollado recientemente como una forma poderosa de depositar películas delgadas de una manera controlada para la industria micro y nanoelectrónica. Hay, sin embargo, una serie de problemas aún no resueltos que implican la estequiometría, la estructura y la calidad química de las películas depositadas. El grupo del Dr. Takeuchi en colaboración con Investigadores de la Universidad de California y del CNyN ha estado estudiando algunas reacciones químicas asociadas a procesos de ALD, tales como la reacción de amidinatos de metales de transición en superficies de Cu, Ni y Pt, o la del dietil zinc con nanotubos de carbono.

Publicaciones

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Algunas publicaciones selectas:

1. 1 Understanding the selectivity of the oxygen reduction reaction at the atomistic level on Nitrogen doped graphitic Carbon materials
   Noe Fernandez-Escamilla, Jonathan Guerrero-Sanchez, Enrique Contreras, Jose Manuel Ruiz-Marizcal, Gabriel Alonso-Nunez, Oscar E. Contreras, Jose M. Romo-Herrera, and Noboru Takeuchi. Adv. Energy Mater. 2020, 2002459. https://doi.org/10.1002/aenm.2020024593
2. 2 Atomic scale visualization of topological spin textures in the chiral magnet MnGe
   Jacob Repicky, Po-Kuan Wu1, Tao Liu, Joseph Corbett, Tiancong Zhu, Adam Ahmed, N. Takeuchi, J. Guerrero-Sanchez, Mohit Randeria, Roland Kawakami, and Jay A. Gupta. Science 374, 1484 (2021). DOI: 10.1126/science.abd9225
3. 3 Au (111): A theoretical study of the surface reconstruction and the surface electronic structure
   N Takeuchi, CT Chan, KM Ho, Physical Review B 43 (17), 13899
4. 4 First-principles calculations of the ground-state properties and stability of ScN
   N Takeuchi, Physical Review B 65 (4), 045204
5. 5 Relativistic effects on ground state properties of 4d and 5d transition metals, C Elsasser
   N Takeuchi, KM Ho, CT Chan, P Braun, M Fahnle, Journal of Physics: Condensed Matter 2 (19), 4371.
6. 6 Controlling Selectivity in Unsaturated Aldehyde Hydrogenation Using Single-Site Alloy Catalysts
   Yueqiang Cao, Bo Chen, Jonathan Guerrero-Sánchez, Ilkeun Lee, Xinggui Zhou, Noboru Takeuchi, and F.
   Zaera, ACS Catalysis 9, 9150 (2019). https://doi.org/10.1021/acscatal.9b02547
7. 7 Kinetic Study of the Hydrogenation of Unsaturated Aldehydes Promoted by CuPtx/SBA-15 Si`ngle-Atom Alloy (SAA)
   Catalysts, Yueqiang Cao, Jonathan Guerrero-Sańchez, Xinggui Zhou, Noboru Takeuchi, Francisco Zaera,
   ACS Catalysis, 10, 3431-3443, (2020). https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05407