Estudo de Propriedades Eletrônicas e Estruturais de Nanoestruturas BC6N via Cálculos de Primeiros Princípios

Resumo

Um novo campo da física da matéria condensada, tanto experimental quanto relacionado a simulações computacionais, surgiu com a descoberta dos nanotubos de carbono, os quais apresentam propriedades físico-químicas únicas, tais como grande dureza e flexibilidade. Além das promissoras propriedades mecânicas, estudos teóricos e experimentais mostraram que dependendo do diâmetro e quiralidade o tubo é metálico ou semicondutor. Tal comportamento pode ser qualitativamente explicado em termos da estrutura de banda e dos vetores de onda discretos permitidos pelas condições de contorno nos tubos de carbono. Similarmente, os compostos III-V podem ser encontrados em estruturas hexagonais e tubulares microscópicas. O material III-V com maior similaridade ao carbono é o nitreto de boro, que como o carbono, é encontrado em estruturas sp2 e sp3. Assim, podemos criar combinações estequiométricas do tipo BxCyNz. Devido à ionicidade do nitreto de boro e ao seu grande gap de energia (~4.9 eV), tubos desse material apresentam maior uniformidade nas propriedades eletrônicas quando comparados ao carbono e seus tubos serão sempre semicondutores (quase) unidimensionais. Isso pode ser tecnologicamente vantajoso porque amostras contendo tubos de tamanhos e estruturas diferentes podem ser crescidos com propriedades predeterminadas. Neste trabalho fizemos a substituição parcial de carbono por átomos de boro e nitrogênio, levando-nos a formação de compostos ternários BC6N de grandes diâmetros. Tais composições permitem a obtenção de estruturas de bandas com gap de energia intermediário entre os apresentados pelo grafite e pelo nitreto de boro. Então empregamos um método de primeiros princípios para realização dos cálculos de estrutura eletrônica, para o quais utilizamos o código computacional SIESTA, que realiza cálculos autoconsistentes. O formalismo do código SIESTA é fundamentado na teoria do funcional da densidade, com o termo de exchange-correlação tratado através da aproximação da densidade local ou da aproximação do gradiente generalizado, com o uso de pseudopotenciais de norma conservada e de um conjunto de bases, obtidas da combinação linear de orbitais atômicos.Mais especificamente, estudamos, através de cálculos ab-initio, a estabilidade das estruturas BC6N através da determinação da energia de formação, energia de coesão e energia de strain. Além disso, investigamos as propriedades eletrônicas de tais estruturas, na ausência de defeitos. Em relação às propriedades estruturais nossos resultados mostram que os tubos assumem uma forma elipsoidal com diferentes excentricidades, as quais dependem do diâmetro do tubo. A análise energética mostra que tubos de grande diâmetro são mais estáveis e a análise eletrônica mostra que os nanotubos são semicondutores com gaps direto de energia, variando entre (~0,3 até ~1,1) eV.