Estudo de Nanofitas de h-BN e Nanofolhas de SiC por primeiros princípios

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Gonçalves, Juliana Aparecida
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Física
Programa de Pós-Graduação em Física
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
DFT
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/22394
Resumo: Two-dimensional materials (2D) have been the focus of several kinds of research in recent years. Among these materials, we can highlight the "graphene-like" materials, as Boron Nitride hexagonal (h-BN) and Silicon Carbide (SiC). Although these materials are structurally similar to graphene, their electronic, optical, and magnetic properties are different, leading to different technological applications such as high-temperature diodes, solar cells, and sensors. Therefore, a detailed analysis of the properties of these nanostructures is of great importance. In this work, we employ First-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) to study the stability and the optical and electronic properties of edge-reconstructed three-layered h-BN nanoribbons. Also, we investigate silicon carbide nanosheets fluorination. In the first case, lines of pentagonal and heptagonal rings connect the system composed of three layers of h-BN at the edges. These rings have homopolar bonds B-B and N-N, which determine the stability of the system. Nanoribbons that have fewer homopolar bonds are the most stable relative to the h-BN layer. This result suggests that this type of reconstruction may occur in systems composed of three layers of h-BN, and they are more stable than their carbon analogs. Electronic analyses reveal that homopolar bonds’ presence introduces states located in the bandgap of the semiconductor ribbons. Homopolar bonds also significantly influence optical properties, primarily when the light path is in the direction of defects. Later, we investigated the influence of fluorine on the optical and electronic properties of SiC nanosheets. We observed that the adsorption of F atoms on SiC nanosheets is more favorable on Si sites. The strain caused by the four-fold-coordinated Si atoms in the flat SiC determines the relative position of the adsorbed F atoms: occupying the nearest neighbor Si sites, for the case where the F is on opposite sides of the sheet, or apart from each other if they are on the same side of the sheet. Optical and electronic properties do not depend on F atoms’ adsorption side on the sheet but in their relative distance. When F atoms bind to near Si sites, the system has a p-type semiconductor character. On the other hand, when the F atoms occupy far Si sites, the flat SiC becomes metallic. Also, F atoms’ adsorption affects the optical properties of SiC nanosheets and induces an optical anisotropy in the system.
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In this work, we employ First-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) to study the stability and the optical and electronic properties of edge-reconstructed three-layered h-BN nanoribbons. Also, we investigate silicon carbide nanosheets fluorination. In the first case, lines of pentagonal and heptagonal rings connect the system composed of three layers of h-BN at the edges. These rings have homopolar bonds B-B and N-N, which determine the stability of the system. Nanoribbons that have fewer homopolar bonds are the most stable relative to the h-BN layer. This result suggests that this type of reconstruction may occur in systems composed of three layers of h-BN, and they are more stable than their carbon analogs. Electronic analyses reveal that homopolar bonds’ presence introduces states located in the bandgap of the semiconductor ribbons. Homopolar bonds also significantly influence optical properties, primarily when the light path is in the direction of defects. Later, we investigated the influence of fluorine on the optical and electronic properties of SiC nanosheets. We observed that the adsorption of F atoms on SiC nanosheets is more favorable on Si sites. The strain caused by the four-fold-coordinated Si atoms in the flat SiC determines the relative position of the adsorbed F atoms: occupying the nearest neighbor Si sites, for the case where the F is on opposite sides of the sheet, or apart from each other if they are on the same side of the sheet. Optical and electronic properties do not depend on F atoms’ adsorption side on the sheet but in their relative distance. When F atoms bind to near Si sites, the system has a p-type semiconductor character. On the other hand, when the F atoms occupy far Si sites, the flat SiC becomes metallic. Also, F atoms’ adsorption affects the optical properties of SiC nanosheets and induces an optical anisotropy in the system.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESMateriais bidimensionais (2D) têm sido o foco de diversas pesquisas no últimos anos. Dentre esses materiais, podemos destacar os materiais tipo-grafeno, como o Nitreto de Boro hexagonal (h-BN) e Carbeto de Silício (SiC). Apesar desses materiais serem estruturalmente semelhantes ao grafeno, suas propriedades eletrônicas, ópticas e magnéticas são diferentes, o que pode levar a distintas aplicações tecnológicas como diodos de alta temperatura, células solares e sensores. Sendo assim, é de suma importância uma análise detalhadas das propriedades dessas nanoestruturas. Neste trabalho, empregamos cálculos de Primeiros Princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para o estudo da estabilidade e propriedades ópticas e eletrônicas de nanofitas de três camadas de h-BN com reconstrução de bordas e a análise da fluoração de nanofolhas de SiC. Em relação ao primeiro estudo, linhas de anéis pentagonais e heptagonais conectam o sistema comporto por três camadas de h-BN nas bordas. Esses anéis possuem ligações homopolares B-B e N-N, que determinam a estabilidade do sistema. As nanofitas que apresentam menos ligações homopolares são as mais estáveis em relação a uma camada de h-BN. Este resultado sugere que este tipo de reconstrução pode ocorrer em sistemas compostos por três camadas de h-BN e são mais estáveis que o sistema análogo de carbono. As análises eletrônicas revelam que a presença da ligações homopolares introduzem estados localizados no gap das nanofitas semicondutoras. As ligações homopolares também apresentam uma grande influência nas propriedades ópticas, principalmente quando a luz é incidida na direção dos defeitos. Em um segundo momento, investigamos a influência do flúor nas propriedades ópticas e eletrônicas de nanofolhas de SiC. Observamos que a adsorção de átomos de F nas nanofolhas de SiC é mais favorável em sítios de Si. A tensão causada pelas quatro ligações do átomos de Si na folha de SiC determina a posição relativa dos átomos F adsorvidos: ocupando sítios de Si vizinhos mais próximos, para o caso em que o F está em lados opostos da folha ou afastados um do outro se eles estão no mesmo lado da folha. As propriedades ópticas e eletrônicas não possuem uma dependência com relação ao lado da adsorção dos átomos de F, mas a distância relativa possui uma grande influência. No caso em que os átomos de F são adsorvidos em sítios de Si próximos, o sistema apresenta um carácter de semicondutor do tipo-p. Por outro lado, quando os átomos de F ocupam sítios de Si distantes, as folhas de SiC tornam-se metálicas. Além disso, a adsorção de átomos de F afeta as propriedades ópticas das nanofolhas de SiC induzindo uma anisotropia óptica no sistema.Universidade Federal da ParaíbaBrasilFísicaPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFPBAzevedo, Sérgio André Fonteshttp://lattes.cnpq.br/2195090548621158Batista, Ronaldo Junio Camposhttp://lattes.cnpq.br/4374918656241879Gonçalves, Juliana Aparecida2022-03-18T17:21:54Z2020-10-152022-03-18T17:21:54Z2020-09-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/22394porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2022-04-12T13:05:12Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/22394Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-04-12T13:05:12Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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description Two-dimensional materials (2D) have been the focus of several kinds of research in recent years. Among these materials, we can highlight the "graphene-like" materials, as Boron Nitride hexagonal (h-BN) and Silicon Carbide (SiC). Although these materials are structurally similar to graphene, their electronic, optical, and magnetic properties are different, leading to different technological applications such as high-temperature diodes, solar cells, and sensors. Therefore, a detailed analysis of the properties of these nanostructures is of great importance. In this work, we employ First-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) to study the stability and the optical and electronic properties of edge-reconstructed three-layered h-BN nanoribbons. Also, we investigate silicon carbide nanosheets fluorination. In the first case, lines of pentagonal and heptagonal rings connect the system composed of three layers of h-BN at the edges. These rings have homopolar bonds B-B and N-N, which determine the stability of the system. Nanoribbons that have fewer homopolar bonds are the most stable relative to the h-BN layer. This result suggests that this type of reconstruction may occur in systems composed of three layers of h-BN, and they are more stable than their carbon analogs. Electronic analyses reveal that homopolar bonds’ presence introduces states located in the bandgap of the semiconductor ribbons. Homopolar bonds also significantly influence optical properties, primarily when the light path is in the direction of defects. Later, we investigated the influence of fluorine on the optical and electronic properties of SiC nanosheets. We observed that the adsorption of F atoms on SiC nanosheets is more favorable on Si sites. The strain caused by the four-fold-coordinated Si atoms in the flat SiC determines the relative position of the adsorbed F atoms: occupying the nearest neighbor Si sites, for the case where the F is on opposite sides of the sheet, or apart from each other if they are on the same side of the sheet. Optical and electronic properties do not depend on F atoms’ adsorption side on the sheet but in their relative distance. When F atoms bind to near Si sites, the system has a p-type semiconductor character. On the other hand, when the F atoms occupy far Si sites, the flat SiC becomes metallic. Also, F atoms’ adsorption affects the optical properties of SiC nanosheets and induces an optical anisotropy in the system.
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