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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ
Ciência e Engenharia dos Materiais (21001014024P6)
ESTUDOTEÓRICO-COMPUTACIONALDENANOFITASDEGRAFENORICAS EMBOROENITROGÊNIO
DAYVID DE SOUSA MIRANDA
TESE
20/01/2023

A busca por novos materiais que substituam o silício em construções cada vez menores e mais eficientes tem motivado diversos tipos de pesquisas de ponta, teóricas e experimentais. Em torno desses materiais, os alótropos de carbono apresentam um papel de destaque. Existe uma vari edade de estruturas de carbono, e dentre as estruturas, o grafeno tem sido estudado de forma bastante intensa nos últimos anos. Embora o grafeno não seja um semicondutor à temperatura ambiente, várias modificações são propostas e estudadas a fim de obter um gap de energia. Nesse contexto, a modificação química com a inserção de heteroátomos na rede do grafeno tem se mostrado uma forma promissora de obter tal gap de energia entre as bandas. Nesta tese de doutorado, realizamos um estudo teórico-computacional das propriedades eletrônicas de nano estruturas periódicas de grafeno com heteroátomos de Boro e Nitrogênio. As nanoestruturas estudadas foram nanofitas de carbono: nanowiggles e coronenos. Nossos cálculos foram rea lizados com base na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) usando o código SIESTA. Na primeira parte desta tese, investigamos as mudanças nas propriedades eletrônicas de uma classe de nanofitas sinuosas chamadas nanowiggles quando substituímos um átomo de Carbono por um Boro em diferentes configurações atômicas (interior/borda). Mostramos que esses sistemas exibem configurações spin-polarizadas não triviais, que transformam essas nanowiggles em se micondutores com gaps estreitos com uma separação nítida entre estados spin-up e spin-down próximos à energia de Fermi. Também demonstramos que é possível mudar estrategicamente os gaps de energia através de diferentes configurações de spin e das posições dos heteroátomos. Além disso, demonstramos que estados spin-polarizados são mais robustos em configurações de substituição interna, pois resultam em um mecanismo de redução de energia mais intenso do que no caso de borda. Na segunda parte desta tese, investigamos as propriedades eletrôni cas de nanofitas construídas a partir de unidades moleculares compostos por nanoestruturas do tipo coroneno (CorGNRs) que apresentam heteroátomos de Boro ou Nitrogênio em diferentes arranjos atômicos (interior/bordas). Mostramos que todas as propriedades eletrônicas de nano estruturas com heteroátomos internos são metálicas e que quando o heteroátomo de nitrogênio na borda não se liga com o hidrogênio, ocorre uma abertura de gap nos CorGNRs. Além disso, demonstramos que estados spins-polarizados são mais robustos em configurações de substitui ção de borda com uma separação nítida entre os estados spin-up e spin-down perto da energia de Fermi. Por fim, nossos resultados sugerem que as nanowiggles e os CorGNRs podem ofere cer mais possibilidades para o desenvolvimento de novas nanoestruturas e novos materiais para aplicações em spintrônica e nanoeletrônica.

Teoria do funcional da densidade;Nanofitas de grafeno;Nanoestruturas;Esta dos de polarização de spin;Propriedades eletrônicas
The search for new materials to replace silicon in constructing increasingly smaller and more efficient has motivated several frontier types of research, theoretical and experimental. Around these materials, carbon allotropes show a prominent role. There are a variety of carbon structu res, and among structures, graphene has been studied quite intensely in recent years. Although graphene is not a semiconductor at room temperature, several modifications are proposed and studied in order to obtain an energy gap. In this context, the chemical modification with the insertion of heteroatoms in the graphene lattice has shown a promising way to obtain the gap of energy between the bands. In this doctoral thesis, we performed a theoretical-computational study of the electronic properties of periodic graphene nanostructures with Boron and Nitrogen heteroatoms. The nanostructures studied were carbon nanoribbons: nanowiggles and coronenes. Our calculations were performed based on the Density Functional Theory (DFT) using the SI ESTA code. In the first part of this thesis, we investigated changes in the electronic properties of a class of sinuous nanoribbons called nanowiggles when we replace a Carbon atom with a Boron in different atomic configurations (inner/edge). We show that these systems exhibit non trivial polarized spins configurations, which transform these nanowiggles into semiconductors with narrow gaps with a marked separation between the spin-up and spin-down states close to the Fermi energy. We also demonstrate that it is possible to strategically change the gaps energy through different spins configurations and the heteroatom positions. Furthermore, we demons trate that polarized spins states are more robust in inner substitution configurations, as they result in a more intense energy reduction mechanism than in the edge case. In the second part of this thesis, we investigated the electronic properties of nanoribbons constructed from molecular units composed of coronene-type nanostructures (CorGNRs) that present Boron or Nitrogen hetero atoms in different atomic arrangements (inner/edges). We show that all electronic properties of nanostructures with internal heteroatoms are metallic and that when the Nitrogen heteroatom in the edge does not bond with hydrogen, there is a gap opening in the CorGNRs. Furthermore, we demonstrate that spin-polarized states are more robust in edge-substitution configurations with a marked separation between spin-up and spin-down states near the Fermi energy. Finally, our results suggest that nanowiggles and CorGNRs can offer more possibilities for the development of new nanostructures and new materials for applications in spintronics and nanoelectronics.
Densityfunctionaltheory;Graphenenanoribbons;Nanostructures;Spinpolarization states;Electronic properties.
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ
O trabalho possui divulgação autorizada
Tese Versao Final Dayvid-PPGCM.pdf

Contexto

MATERIAIS CERÂMICOS E FILMES
FILMES, SUPERFÍCIES E INTERFACES
ESTUDO TEÓRICO COMPUTACIONAL DAS PROPRIEDADES ELETRÔNICAS DE NANOMATERIAIS DE CARBONO DOPADOS COM BORO/NITROGÊNIO E DE MATERIAIS HÍBRIDOS BCN

Banca Examinadora

EDUARDO COSTA GIRAO
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
FRANCISCO RONAN VIANA ARAUJO Participante Externo
EDUARDO COSTA GIRAO Docente - PERMANENTE
JOSE MILTON ELIAS DE MATOS Docente - PERMANENTE
PALOMA VIEIRA DA SILVA Participante Externo
FABRICIO MORAIS DE VASCONCELOS Participante Externo
ALEXANDRO DAS CHAGAS DE SOUSA NASCIMENTO Participante Externo
JOSE MOREIRA DE SOUSA Participante Externo

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Sim
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