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Title: Estudo teórico das propriedades eletrônicas e estruturais de nanotubos mistos de carbono e h-BN.
Other Titles: Theoretical study of the electronic and structural properties of nanotubes mixed carbon and h-BN.
???metadata.dc.creator???: BERNARDO, Guilherme Angelo Moreira.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FRAZÃO, Nilton Ferreira.
???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: LOPES, Mirleide Dantas.
???metadata.dc.contributor.referee1???: LIMA, Rodrigo José da Silva.
???metadata.dc.contributor.referee2???: GUERRA, Thiago Brito Gonçalves.
Keywords: Nanotubos mistos;Carbono;h-BN;Estrutura eletrônica;Estabilidade estrutural;Física da matéria condensada;Nanomateriais;Código SIESTA;Mixed nanotubes;Carbon;Electronic structure;Structural stability;Condensed matter physics;Nanomaterials;SIESTA code;Nanotubos mixtos;Carbón;Estructura electronica;Estabilidad estructural;Física de la materia condensada;Nanomateriales;Nanotubes mixtes;Carbone;Structure électronique;Stabilité structurelle;La physique de la matière condensée;Nanomatériaux;Code SIESTE
Issue Date: 16-Feb-2022
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: BERNARDO, G. A. M. Estudo teórico das propriedades eletrônicas e estruturais de nanotubos mistos de carbono e h-BN. 2022. 62 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2022. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/23915
???metadata.dc.description.resumo???: O estudo dos nanomateriais, tanto no âmbito teórico quando experimental, tem se mostrado cada vez mais recorrente na literatura, devido principalmente à grande gama de aplicações e aos avanços das técnicas de análise e sintetização destes materiais. Neste trabalho, investigamos, por meio de cálculos de primeiros princípios, as propriedades eletrônicas e estruturais de nanotubos mistos de paredes duplas de carbono e nitreto de boro hexagonal (h-BN), do tipo zigzag e armchair, com a adição de impurezas de carbono, boro e nitrogênio. Além disso, avaliamos como a aplicação de diferentes valores de campo elétrico, perpendicular e paralelo ao eixo de simetria dos nanotubos, modificaram a estrutura eletrônica do material. Tal análise foi realizada por meio do Código SIESTA, uma ferramenta computacional, que utiliza a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) como parâmetro para sua execução. Inicialmente, foram configurados quatro nanotubos mistos de paredes duplas, com diferentes arranjos coaxiais de carbono e h-BN, que definimos como nanotubos de base. A partir destes nanotubos, outros dezesseis foram confeccionados, no entanto, a estes foram adicionadas as impurezas. Desta forma, obtivemos oito nanoestruturas com impurezas do tipo P e oito do tipo N. A partir dos cálculos realizados no SIESTA foi possível a sistematização dos resultados referentes à energia de formação por átomo, a estrutura eletrônica de bandas, a densidade de estados e a polarização de spin de cada nanotubo. Nestes nanomateriais, observamos que a energia de formação por átomo aponta um padrão de estabilidade similar em todos os nanotubos, todavia, nanoestruturas mistas com tubos de carbono externos apresentaram maior estabilidade que quando arranjadas com nanotubos de h-BN fora. Quanto à polarização de spin, percebemos que os nanotubos de base não apresentaram diferença entre as cargas up e down, já os nanotubos com impurezas exibiram polarização de spin não nula, principalmente nas impurezas do tipo P, provocando magnetização nestes materiais. Observamos ainda que os diferentes valores de campo elétrico aplicados perpendicularmente ao eixo de simetria dos tubos contribuíram para o controle do gap, já campos aplicados paralelamente não modificaram a estrutura eletrônica de bandas dos nanotubos. Avaliamos ainda que a adição de átomos estranhos à rede intrínseca provocou o surgimento de estados eletrônicos na região do nível de Fermi, tanto na banda de valência, quanto na banda de condução, a depender da impureza introduzida na rede e que estas, quando associadas à aplicação do campo elétrico externo, potencializaram o surgimento de estados próximos ao nível de Fermi. Em suma, nossos dados mostram concordância com a literatura e evidenciam as propriedades insólitas destes nanomateriais.
Abstract: The study of nanomaterials, both theoretically and experimentally, has been increasingly recurrent in the literature, mainly due to the wide range of applications and advances in techniques for analyzing and synthesizing these materials. In this work, we investigate, by means of firstprinciples calculations, the electronic and structural properties of mixed double-walled carbon and hexagonal boron nitride (h-BN) nanotubes, of the zigzag and armchair type, with the addition of carbon, boron and nitrogen impurities. Furthermore, we evaluated how the application of different values of electric field, perpendicular and parallel to the symmetry axis of the nanotubes, modified the electronic structure of the material. Such analysis was performed using the SIESTA Code, a computational tool, which uses the Density Functional Theory (DFT) as a parameter for its execution. Initially, four mixed double-walled nanotubes were configured, with different coaxial carbon and h-BN arrangements, which we defined as base nanotubes. From these nanotubes, another sixteen were made, however, impurities were added to these. In this way, we obtained eight nanostructures with P-type and eight N-type impurities. From the calculations performed in SIESTA, it was possible to systematize the results referring to the formation energy per atom, the electronic structure of bands, the density of states and the spin polarization of each nanotube. In these nanomaterials, we observed that the energy of formation per atom points to a similar stability pattern in all nanotubes, however, mixed nanostructures with external carbon tubes showed greater stability than when arranged with h-BN nanotubes outside. As for spin polarization, we noticed that the base nanotubes showed no difference between the up and down charges, whereas the nanotubes with impurities exhibited non-zero spin polarization, mainly in P-type impurities, causing magnetization in these materials. We also observed that the different values of electric field applied perpendicularly to the symmetry axis of the tubes contributed to the control of the gap, since fields applied in parallel did not modify the electronic structure of the nanotubes bands. We also evaluated that the addition of foreign atoms to the intrinsic lattice caused the emergence of electronic states in the Fermi level region, both in the valence band and in the conduction band, depending on the impurity introduced into the lattice and that these, when associated with the application of the external electric field, potentiated the emergence of states close to the Fermi level. In short, our data show agreement with the literature and show the unusual properties of these nanomaterials.
Keywords: Nanotubos mistos
Carbono
h-BN
Estrutura eletrônica
Estabilidade estrutural
Física da matéria condensada
Nanomateriais
Código SIESTA
Mixed nanotubes
Carbon
Electronic structure
Structural stability
Condensed matter physics
Nanomaterials
SIESTA code
Nanotubos mixtos
Carbón
Estructura electronica
Estabilidad estructural
Física de la materia condensada
Nanomateriales
Nanotubes mixtes
Carbone
Structure électronique
Stabilité structurelle
La physique de la matière condensée
Nanomatériaux
Code SIESTE
???metadata.dc.subject.cnpq???: Física
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/23915
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