Estudo ab initio de nanotubos, com ênfase na adsorção e encapsulamento de átomos e moléculas

dc.contributor.advisor1Ghosh, Angsula
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3635716971369282eng
dc.contributor.referee1Frota, Hidembergue
dc.contributor.referee2Zayas, Fidel Guerrero
dc.contributor.referee3Silva, Juarez Lopes Ferreira da
dc.contributor.referee4Baierle, Rogério José
dc.creatorLima, Cláudio Natálio
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0744445405056028eng
dc.date.issued2021-09-14
dc.description.abstractIn this thesis, ab initio calculations are performed using the Density Functional Theory (DFT) formalism, to investigate the electronic, optical, structural and energetics of vari- ous nanotubular systems. Firstly, the single-walled nanotubular prototypes CB, CN and BN of zig-zag and armchair configurations are considered to determine the energetic sta- bility of the systems and also their electronic structural properties. The identification of the semiconductor nature of the BN nanotubes inspired us to perform adsorptions of the hydrogen atom and various diatomic (H 2 , O 2 , N 2 , CO, N O) and triatomic (CO 2 , N O 2 ) molecules in their zig-zag and armchair versions. Finally, we study the encapsulation of the above agents in the (9.0) and (5.5) versions. The DFT calculations provided data on the energetic stability, density of states (DOS), band structure and enabled calculations of transport and optical properties. We analyzed three types of nanotubes in the zig- zag and armchair configurations, consisting of carbon-boron (CBNT), carbon-nitrogen (CNNT) and boron-nitrogen (BNNT). The above study enables us to understand the impact of diameter and chirality on the binding energy or the structural stability, the electronic property of the nanotubular prototypes. The results show that all CBNTs have a metallic characteristic independent of the chirality, while the metallic aspect is predomi- nant in CNNT. The results show that BNNTs have semiconductor properties with small energy gap at the Fermi level for n ≥ 5. All large diameter nanotubes are more stable structurally and energetically. The adsorptions of the atoms and molecules as discussed above on the surface of the zigzag and the armchair boron-nitrogen nanotubes were consi- dered both at the nitrogen and boron sites of the nanotubes. The structural parameters, binding energies, intramolecular bond-lengths of the structures demonstrated stability. The band gaps are analyzed to understand the adsorption properties of the complexes. Furthermore, density of states (DOS) band structures and charge-density transfer calcu- lations are also performed. Among all adsorbates, the hydrogen atom adsorption on both versions of SBNNT demonstrates the greatest stability. The adsorptions affected the gap which could be observed in the band structure in the density of states and in the quan- tum transmittance calculations. The encapsulation of the above atoms and molecules in (5,5) and (9,0) BNNTs also demonstrated stable structures. The results show that NO 2 - SBNNT is the most stable among all the encapsulated agents. When BNNT confine the hydrogen atom and the O 2 , N O and N O 2 molecules, they undergo a transition from the semiconductor to the metallic state. This transition is exhibited in band structures, DOS and quantum transmittance, where the energy gap at the Fermi level is modified. We also verified the charge transfer between SBNNTs and the atoms/molecules in adsorptions and encapsulations. The optical properties of the systems have been addressed through dielectric function calculation.eng
dc.description.resumoNesta tese são realizados cálculos ab initio, com o formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT), para investigar as propriedades eletrônicas e ópticas, e as estabilidades estrutural e energética de vários sistemas nanotubulares de quiralidade zig-zag (5,0) e arm- chair (5,5). Em primeiro lugar, os protótipos nanotubulares de parede única CB , CN e BN de configurações zig-zag e armchair são consideradas para determinar a estabilidade ener- gética dos sistemas e calcular suas propriedades eletrônicas e estruturais. A identificação da natureza semicondutora dos nanotubos BNNT nos inspirou a realizar adsorção do átomo de hidrogênio e molécula diatômica ( H 2 , O 2 , N 2 , CO , N O ) e triatômica ( CO 2 , N O 2 ) em suas versões zig-zag e armchair. No proximo momento, estudamos o encapsulamento do átomo e moléculas supracitados nas versões (9,0) e (5,5). Os cálculos DFT forneceram dados sobre a estabilidade energética, densidade de estados (DOS), estrutura de bandas e viabilizou os cálculos das propriedades de transporte e óptica. Foram analisados três tipos de nanotubos nas versões zig-zag e armchair constituı́dos com carbono-boro (CBNT), carbono-nitrogênio (CNNT) e boro-nitrogênio (BNNT). O estudo acima nos permite entender o impacto do di- âmetro e da quiralidade na energia de ligação, na estabilidade estrutural, e nas propriedade eletrônicas dos protótipos nanotubulares. Os resultados mostram que todos CBNTs são de caracterı́stica metálica, independentemente da quiralidade, enquanto o aspecto metálico é predominante no CNNT. Os resultados evidenciam que os BNNTs possuem propriedades semicondutoras com pequeno gap de energia no nı́vel de Fermi para n ≥ 5 . Todos os nano- tubos apresentam-se mais estáveis, estruturalmente e energeticamente, para as estruturas com maiores diâmetro. As adsorções de átomo e moléculas, mencionadas anteriormente, foram feitas no sitio do nitrogênio e do boro do nanotubo. Examinamos os resultados dos parâmetros estruturais, energias de ligação e comprimentos de ligação intramolecular das adsorções, onde todas as estruturas demonstraram estabilidade. Os gaps das bandas fo- ram analisados para compreender as propriedades de adsorção dos complexos. Além disso, estruturas de banda de densidade de estados (DOS) e contagens de transferência de densi- dade de carga também são realizados. Entre todas os adsorbatos, a adsorção do átomo de hidrogênio em ambas as versões dos BNNT demonstra a maior estabilidade. As adsorções afetaram o gap, como observado nas estruturas de bandas, nas densidade de estados e na transmitância quântica. O encapsulamento do átomo e moléculas, mencionado acima, em BNNTs (5,5) e (9,0), também apresentaram estabilidade estrutural. Os resultados mos- tram que o composto N O 2 -BNNT é o mais estável dentre todas as moléculas encapsulados. Quando o BNNT confina o átomo de hidrogênio e as moléculas O 2 , N O e N O 2 , ele passa por uma transição do estado semicondutor para metálico. Essa transição é mostrada nas estruturas de bandas, na densidade de estados e transmitância quântica, onde o gap de energia no nı́vel de Fermi é modificado. Verificamos também a transferência de cargas entre BNNTs e o átamo/moléculas nas adsorções e no encapsulamentos. As propriedades ópticas dos sistemas foram abordadas por meio da determinação da função dielétrica.eng
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superioreng
dc.formatapplication/pdf*
dc.identifier.citationLIMA, Cláudio Natálio. Estudo ab initio de nanotubos, com ênfase na adsorção e encapsulamento de átomos e moléculas. 2022. 132 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal do Amazonas, manaus (AM), 2021.eng
dc.identifier.urihttps://tede.ufam.edu.br/handle/tede/8867
dc.languageporeng
dc.publisherUniversidade Federal do Amazonaseng
dc.publisher.countryBrasileng
dc.publisher.departmentInstituto de Ciências Exataseng
dc.publisher.initialsUFAMeng
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Físicaeng
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectNanotubospor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA: FISICA: FISICA DA MATERIA CONDENSADAeng
dc.subject.userTeoria do Funcional de Densidadepor
dc.subject.userNanotubo Nitreto de Boropor
dc.subject.userPropriedades eletrônicaspor
dc.thumbnail.urlhttps://tede.ufam.edu.br/retrieve/55956/Tese_Cl%c3%a1udioLima_PPGFIS.pdf.jpg*
dc.titleEstudo ab initio de nanotubos, com ênfase na adsorção e encapsulamento de átomos e moléculaseng
dc.typeTeseeng

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