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Type: Tese
Title: Propriedades eletrônicas, estruturais e vibracionais de nanoestruturas de carbono 1D e 2D sob altas pressões
Authors: Ferreira, Ramon Sampaio
Advisor: Souza Filho, Antônio Gomes de
Co-advisor: Aguiar, Acrísio Lins de
Keywords: Teoria do funcional da densidade;Dinâmica molecular;Altas pressões;Carbinas;Nanotubos de carbono;Grafeno;Metais alcalinos
Issue Date: 2023
Citation: FERREIRA, R. S. Propriedades eletrônicas, estruturais e vibracionais de nanoestruturas de carbono 1D e 2D sob altas pressões. 2023. 150 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: O escopo principal desta tese consiste no estudo de sistemas híbridos de carbono nanoestruturados. Por híbrido entende-se o confinamento de átomos e moléculas em nanotubos de carbono e grafeno bicamada. No primeiro trabalho foram investigados feixes de nanotubos de carbono cujos nanotubos estão preenchidos com cadeias lineares de carbono (carbinas). Realizamos uma investigação em condições extremas de pressão que se propôs a estudá-los no que se refere a sua resistência mecânica e suas transformações físico-químicas. A teoria do funcional da densidade junto com a dinâmica molecular foram as ferramentas utilizadas para desenvolver este estudo que revelou a estabilidade de novas ligações sp3 promovidas entre as carbinas e a superfície interna dos nanotubos, bem como entre as superfícies externas dos nanotubos adjacentes, ligações essas promovidas na região plana dos nanotubos e que diferem das ligações mais convencionais na região curva de nanotubos colapsados. Um segundo trabalho, utilizando também a teoria do funcional da densidade em conjunto com a dinâmica molecular, investigamos as propriedades vibracionais de carbinas confinadas no interior de nanotubos de carbono, os resultados permitiram avançar no entendimento de resultados experimentais de espectroscopia Raman como a ocorrência do redshift nas frequências das cadeias confinadas após o colapso dos nanotubos influenciados por altas pressões. Os resultados de dinâmica molecular auxiliaram no papel importante de lançar luz sobre os mecanismos originários do processo de coalescência das cadeias induzido por pressão. Ainda nos sistemas consistindo de nanotubos, investigamos o comportamento espectral da ressonância de moléculas de quatertiofenos inseridas no interior de nanotubos em função da pressão. A teoria do funcional da densidade foi a ferramenta escolhida para esta investigação, onde foi possível entender o comportamento de piezo-ressonância no espectro Raman do quatertiofeno associado ao colapso da secção transversal induzido por pressão dos nanotubos de carbono. No último trabalho, utilizamos a teoria do funcional da densidade para investigar sistemas híbridos baseados em grafeno bicamada intercalado com metais alcalinos Li e K. Essa investigação teve como objetivo entender a possibilidade do surgimento de novas ligações covalentes, induzidas por strain uniaxial ou pressão hidrostática, entre as próprias camadas, mais ainda, verificamos que essas novas ligações não apresentaram estabilidade na ausência de strain, porém, a presença de um meio transmissor de pressão indica um possível agente importante para tornar estáveis as ligações entre as camadas. Em adição, os resultados sugerem que essas estruturas possam ser candidatos a materiais supercondutores.
Abstract: The main scope of this thesis is the study of nanostructured carbon hybrid systems. Hybrid means the confinement of atoms and molecules in carbon nanotubes and bilayer graphene. In the first work, bundles of carbon nanotubes were investigated, whose nanotubes are filled with linear carbon chains (carbynes). We carried out an investigation under extreme pressure conditions that aimed to study them in terms of their mechanical resistance and their physical-chemical transformations. The density functional theory together with molecular dynamics were the tools used to develop this study, which revealed the stability of new sp3 bonds promoted between carbynes and the inner surface of nanotubes, as well as between the external surfaces of adjacent nanotubes, bonds promoted in the flat region of nanotubes and which differ from the more conventional bonds in the curved region of collapsed nanotubes. In a second work, also using the density functional theory together with molecular dynamics, we investigated the vibrational properties of carbynes confined inside carbon nanotubes, the results allowed advance in the understanding of experimental results of Raman spectroscopy such as the occurrence of the redshift on the frequencies of the confined chains after the collapse of nanotubes influenced by high pressures. The molecular dynamics results played an important role in shedding light on the mechanisms originating from the pressure-induced chain coalescence process. Still, in systems consisting of nanotubes, we investigated the spectral behavior of the resonance of quaterthiophene molecules inserted inside nanotubes as a function of pressure. Density functional theory was the chosen tool for this investigation, where it was possible to understand the piezo-resonance behavior in the Raman spectrum of quaterthiophene associated with the pressure-induced cross-sectional collapse of carbon nanotubes. In the last work, we used the density functional theory to investigate hybrid systems based on bilayer graphene intercalated with Li and K alkali metals. This investigation aimed to understand the possibility of the emergence of new covalent bonds, induced by uniaxial strain or hydrostatic pressure, between the layers themselves, moreover, we found that these new bonds did not show stability in the absence of strain, however, the presence of a pressure transmitting medium indicates a possible important agent for making the chemical bonds between the layers stable. In addition, the results suggest that these structures could be candidates for superconducting materials.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/71421
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