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Tipo: Tese
Título: Propriedades estruturais e eletrônicas de nanotubos de carbono não convencionais
Autor(es): Silva, Paloma Vieira da
Orientador: Girão, Eduardo Costa
Coorientador: Souza Filho, Antônio Gomes de
Palavras-chave: Nanotubos de carbono;Estrutura de bandas eletrônicas;Campo elétrico;Modulação de gap;Interações de van der Waals
Data do documento: 2020
Citação: Silva, P. V. Propriedades estruturais e eletrônicas de nanotubos de carbono não convencionais. 2020. 106 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: Nesta tese, foram estudadas as propriedades estruturais e eletrônicas de um conjunto de nanotubos de carbono não convencionais por meio de simulações computacionais. Os cálculos desenvolvidos foram baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), conforme implementada no pacote SIESTA. Uma classe desse nanotubos foi obtida a partir do enrolamento de folhas de fulerenos fragmentados, os quais foram chamados de C60NTs. Foi mostrado que os NTs apresentam comportamento eletrônico semelhante aos seus correspondentes sistemas 2D, ou seja, os NTs derivados da folha do tipo 1 (tipo 2) são sempre metálicos (semicondutores). Esse comportamento foi racionalizado em termo do método zone folding. Foi investigada também a influência de um campo elétrico transversal sobre as propriedades dos C60NTs, observando-se que todas as famílias de NTs sofrem deformação radial, mas esta é significativamente mais forte para tubos largos. Em relação ao comportamento eletrônico, enquanto os C60NT1s mantêm o caráter metálico da folha do tipo 1, os C60NT2s sofrem uma transição de fase semicondutor-metal para determinados valores de campo elétrico dependendo do diâmetro. A segunda classe de NTs estudados foram os nanotubos de α-grafino. Inicialmente, foram investigadas as propriedades dos nanotubos de α-grafino de parede dupla (α-DWGNTs) com quiralidade zig-zag. Foi demonstrado que as interações de vdW entre as camadas influenciam de forma decisiva a estabilidade dessas nanoestruturas. Em relação às propriedades eletrônicas, essas interações reduzem suavemente o valor do gap de energia e hibridizam os estados de ambos os tubos. Como consequência, os α-DWGNTs apresentam conjuntos específicos de singularidades de van Hove, especialmente nos estados de fronteira. Em seguida, foi estudado o colapso dos NTs de α-grafino de parede simples (α-SWGNTs)(n,n). Foi determinado o diâmetro limite (≥ 23 Å) para o qual o α-SWGNT colapsado é energeticamente mais estável que o correspondente tubo circular. Os resultados mostram que os α-SWGNTs colapsados sofrem uma transição de metal para semicondutor quando o diâmetro é ≥ 19 Å, com valores do gap que dependem da configuração de empilhamento entre as paredes. Além do estudo sobre NTs, foram estudados três sistemas 2D de carbono construídos a partir de um bloco básico tipo molécula de acepentaleno. Em todas essas estruturas, chamadas de tripentafenos (TPHs), ocorre o mecanismo de ressonância que é responsável pela distribuição dos comprimentos das ligações. Todos os TPHs são metálicos, podendo atuar como bons injetores de elétrons. Para estas estruturas de TPHs, foram calculadas as bandas de energia aproximadas dos correspondentes NTs por meio do método ZF. Os resultados encontrados para os C60NTs, α-DWGNTs, α-SWGNTs colapsados e os TPHs apresentam uma série de propriedades que podem tornar possível o seu uso futuro em nanodispositivos eletrônicos.
Abstract: In this thesis, the structural and electronic properties of a set of nonconventional carbon nanotubes were studied through computational simulations. The calculations are based on Density Functional Theory (DFT) as implemented in the SIESTA package. A class of these nanotubes, called C60NTs, were built from fullerene-based sheets rolled-up along different directions. It was shown that their electronic properties closely follow those of their 2D counterparts, namely, tubes derived from type 1 (type 2) sheet are always metallic (semiconducting). These results are rationalized in terms of a zone folding approach. The influence of a transversal electric field on the properties of C60NTs was also investigated. It was observed that all families of NTs undergo radial deformation, but this is significantly stronger for large tubes. Regarding the electronic behavior, while the C60NT1s maintain the metallic character of the type 1 sheet, the C60NT2s undergo a transition from semiconductor to metal for certain values of the electric field dependending on the diameter. The second class of studied NTs were α-graphyne nanotubes. Initially, the properties of double-walled α-graphyne nanotubes (α-DWGNTs) with zig-zag chirality were investigated. It has been demonstrated that van der Waals interactions between layers significantly influence the stability of these nanostructures. Regarding the electronic properties, these interactions sligthly reduce the bang gap and hybridize the states of both tubes. As a consequence, the α-DWGNTs present specific sets of van Hove singularities, specially for the frontier states. Then, it was studied the radial deformation and collapse in single-walled α-graphyne nanotubes (α-SWGNTs)(n, n). The results show that the collapsed α-SWGNTs undergo a transition from metal to semiconductor when the diameter is ≥ 19 Å, with band gap depending on the stacking configuration. In addition to the investigation of nanotubes, three 2D carbon systems constructed out of acepentalene building blocks were studied. In all these structures, called tripentaphenes (TPHs), there is a resonance mechanism which accounts for the distribution of bond lengths. All TPHs are metallic and can act as good electron injectors. For these TPHs structures, the approximate energy bands of the corresponding NTs were calculated using the ZF method. The results found for C60NTs, α-DWGNTs, collapsed α-SWGNTs and TPHs present a series of properties that can enable their future use in electronic nanodevices.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/55333
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