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Title in Portuguese: Estudo teórico das propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais de pontos quânticos de silício e grafeno e cálculos no formalismo DFT aplicados a cristais de ácido úrico
Author: Silva, Agmael Mendonça
Advisor(s): Caetano, Ewerton Wagner Santos
Keywords: Semicondutores
Silício
Grafeno
Ácido úrico
Issue Date: 2010
Citation: SILVA, A. M. Estudo teórico das propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais de pontos quânticos de silício e grafeno e cálculos no formalismo DFT aplicados a cristais de ácido úrico. 2010. 148 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010.
Abstract in Portuguese: Com a finalidade do desenvolvimentos de novos nanodispositivos, há um grande interesse em conhecer as propriedades eletrônicas de materias nanoestruturados. Sobretudo, como modificar as propriedades eletrôonicas de nanoestruturas já bem conhecidas de forma controlada. Com este objetivo, muitas metodologias e experimentos tem sido desenvolvidos. Neste trabalho, estudamos de forma inteiramente atomística através de simulação computacional as propriedades eletrônicas, ópticas e vibracionais de (a) pontos quânticos esferéricos maciços e ocos de silício, (b) nanoflocos de grafeno e (c) cristais de ácido úrico anidro, mono e dihidratado utilizando métodos de Dinâmia Molecular, Semiempírico, DFTB+ e DFT, para tanto utilizamos o programa AMPAC e os módulos do Materials Studio (Accelrys), o Forcite, CASTEP, Gulp e o Dmol3 que são estados de arte em simulações atomísticas. Do ponto de vista clássico utilizamos campos de força Brenner, que permite a formação e rompimento de ligações covalentes; do ponto de vista quântico, utilizamos o método do funcional da densidade e DFTB+ . No estudo dos pontos quânticos silício obteve-se uma diminuição do gap de energia em função do aumento do raio para os pontos maciços, e comportamento contrário para os pontos ocos, quando fixamos um ponto e variamos tão somente o raio do buraco. Para os nanoflocos de grafeno obteve-se por meio de Dinâmica Molecular a estabilidade das estruturas, averiguando que até 1000 K elas conservam sua forma plana; acima de 3400 K as estruturas começam a ter suas ligações rompidas. Os gaps de energia HOMO-LUMO são sensíveis µas bordas. A análise dos estados de spins revelou que somente os nanoflocos triangulares com borda zigzag possuem excesso de elétrons com spin ®, dependente no entanto da simetria. Os modos de vibração para estruturas com nC » 50 foram obtidas e observou-se que nanofloco retangular exibe bandas de abosorção em comum com nanoflocos zigzag em dois intervalos do espectro infravermelho. Finalmente para os cristais de ácido úrico, observou-se que os parâmetros de rede para o cristal dihidratado são menos coerentes com valores experiemntais. O gap do cristal de ácido úrico anidro e mono é direto (» 3:18 eV e 3:16 eV, respectivamente)e do dihidratado é indireto (2:89 eV). Os orbitais 2p são os maiores contribuintes µa densidade de estados. A água tem bastante influência na banda de condução do cristal dihidratado. Há um comportamento anisotrópico quando do estudo das propriedades ópticas destes cristais ao longo de quatro direções de incidência do campo elétrico, sendo a anisotropia mais acentuada para o dihidratado. As pesquisas realizadas enquadram-se na temática de atuação do Instituto de NanoBioEstruturas & Simulação ao NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], um dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia financiados pelo CNPq a partir do início de 2009,que visa desenvolver atividades de pesquisa e formação de recursos humanos de alto nível em nanobioestruturas e simulação nanobiomolecular.
Abstract: There is a great interest in understanding the electronic properties of nano-structured materials aiming the development of new nano devices, especially how to modify the electronic properties of nano structures already known in a controlled manner. This work shows our studies, which were made in a pure atomistic way by computational simulation, on the electronic, optical and vibrational properties of (a) spherical quantum dots, silicon solid and hollow ones, (b) graphene nanoflakes and (c) crystals of uric acid, anhydrous, mono and dihydrate ones, using methods of Molecular Dynamics, Semiempirical, DFTB+ and DFT. We used the software called AMPAC and the modules of Materials Studio (Accelrys), the Forcite, CASTEP, Gulp and Dmol3 that are states of art in atomistic simulations. From the classical point of view we used Brenner force fields, which allow the formation and breaking of covalent bonds; and from the quantum dots of view, we used the method of density functional and DFTB+. In the study of silicon quantum dots, it was obtained a decrease of the energy gap due to the increase of the radius for massive dots, and contrary behavior to the hollow dots, when we fixed one point and varied only the radius of the hole. In relation to the graphene nanoflakes, it was obtained the stability of structures by the Dynamics Molecular, verifying that they keep their flattened form up to 1000 K; over 3400 K structures begin to have their links broken. The HOMO-LUMO energy gaps are sensitive to edges. Analysis of spin states revealed that only the triangular nanoflakes with zigzag edge have excess of electrons with α spin, however symmetry dependent. The modes of vibration for structures with nC ∼ 50 were obtained and it was observed that rectangular nanoflake displays absorption bands in common with zigzag nanoflakes in two ranges of the infrared spectrum. Finally for the uric acid crystals, we observed that the lattice parameters for the dihydrate crystal are less consistent with experimental values. The gap of the crystal of uric acid, anhydrous and mono ones, is direct (∼ 3.18 eV and 3.16 eV, respectively) and of the dihydrate is indirect (∼ 2.89 eV). The 2p orbitals are the largest contributors to the density of states. Water has great influence in the conduction band of the dihydrate crystal. There is an anisotropic behavior in relation to the study of the optical properties of these crystals along four directions of incidence of the electric field, where the anisotropy is more accentuated to the dihydrate. The studies fit in the theme of the role of Instituto de NanoBioEstruturas & Simulação NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], one of the National Institutes of Science and Technology funded by CNPq from the beginning of 2009, which aims to develop research activities and high-quality human resource training in nanobiostructures and nanobiomolecular simulation.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/785
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