DEFORMAÇÃO NATURAL, ESTABILIDADE E PROPRIEDADES ELETRÔNICAS DE NANOTUBOS BXCYNZ DE CAMADAS SIMPLES E DUPLA

Resumo

A constante busca por dispositivos tecnológicos cada vez menores e mais eficientes, levou a miniaturização na tecnologia, a qual se aproxima da escala nanométrica. Nesta busca, os nanotubos de carbono ganharam papel de destaque pelo fato de serem estruturas quase unidimensionais e apresentarem propriedades físicas surpreendentes. Entretanto, problemas de ordem prática e de aplicação existem, visto que as propriedades eletrônicas destes nanotubos são significantemente afetadas pelas suas características geométricas. Sendo assim, a semelhança estrutural do nitreto de boro hexagonal (h-BN) e grafeno permite combiná-los para gerar nanotubos BxCyNz, na tentativa de mesclar o melhor dos dois mundos, pois os nanotubos de BN são isolante estáveis à temperatura ambiente, em sua maioria independentes de diâmetro, número de camadas e quiralidade. Com o objetivo de verificar as propriedades de nanotubos compostos por combinações de carbono (C) e BN, estudamos nanotubos de parede única (SW) e dupla (DW) com quiralidade ziguezague e estequiometria BxCyNz, onde as distâncias entre as paredes interna e externa nos tubos DW é ≈3,3 ̊A. Cada tubo SW (os quais formam os tubos DW) é composto por duas faixas de BN diametralmente opostas intercaladas por duas faixas de C diametralmente opostas, para dessa forma manter constante o número de ligações CB e CN. Os tubos DW foram construídos de uma forma em que uma faixa de BN (C) no tubo externo é bem acima de uma faixa BN (C) no tubo interno. Para obtenção dos resultados realizamos cálculos de primeiros princípios dentro da Teoria do Funcional da Densidade. Pseudopotenciais de norma conservada foram utilizados para descrever as interações entre os núcleos iônicos e os elétrons de valência. Os cálculos foram realizados utilizando a aproximação do gradiente generalizado para o funcional de troca-correlação. Os tamanhos de célula unitária em direções perpendiculares ao eixo dos nanotubos eram suficientemente grandes para evitar interações entre os nanotubos e imagens em células vizinhas. Como resultados, encontramos uma deformação natural (alterações nas seções transversais) dos nanotubos SW e DW, que se tornam elipsoidal. Uma regra de estabilidade energética (n,0)@(n+9,0), independente da estequiometria é estabelecida para nanotubos DW e as distâncias entre as paredes para estes sistemas são mais elevadas do que as observadas na literatura para nanotubos de C ou BN puros. Também observamos que nanotubos DW são metálicos para os sistemas menores, enquanto os maiores são semicondutores de gap direto. A partir destes resultados podemos concluir que a deformação depende do diâmetro e da largura da faixa de BN e que para os sistemas DW este comportamento para o tubo externo é dependente do tubo interno. Em relação à estabilidade das estruturas SW, encontramos que a estequiometria domína sobre o diâmetro para as estruturas estudadas, mas para nanotubos DW, verificou-se que uma regra (n,0)@(n+9,0) existe e é independente da estequiometria. Para a estrutura eletrônica dos DW, notamos variações interessantes em torno do gap de energia, onde para sistemas menores observou-se que a maior contribuição para as bandas de valência e condução nos estados próximos ao nível de Fermi vem do tubo interno.