Estudo computacional do óxido de zinco puro e dopado com metais de transição: bulk, superfícies, interfaces e nanotubos

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Data

2017-04-25

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A química computacional tem se mostrado uma ferramenta muito útil no meio científico e tem sido cada vez mais utilizada na pesquisa de novos materiais. Dentre os muitos sistemas estudados com o auxílio da química computacional, destaca-se o óxido de zinco (ZnO), muito utilizado em diversos dispositivos eletrônicos tais como, sensores, células solares, diodos de emissão de luz UV e diodos a laser. À temperatura e pressão ambientes, a estrutura cristalina mais estável do ZnO é hexagonal do tipo wurtzita, na qual os átomos de zinco estão coordenados a quatro átomos de oxigênio. Devido a coordenação tetraédrica e falta de centro de simetria dessa estrutura, o ZnO apresenta propriedades piezoelétricas podendo ser aplicado em sensores piezoelétricos, por exemplo. Atualmente, existem muitos trabalhos científicos relacionados com o ZnO, porém o número de trabalhos teóricos em relação aos trabalhos experimentais ainda é pequeno. Neste sentido, este projeto teve como objetivo a análise das propriedades do ZnO em três morfologias diferentes, bulk, superfícies e nanotubos, aplicando as principais técnicas de modelagem computacional aplicada ao estado sólido tais como escolha do funcional de densidade e funções de base, otimização da geometria, dopagem por substituição de átomos, cálculo de constantes elásticas e piezoelétricas, simulação de pressão hidrostática aplicada a célula unitária, secção do bulk para gerar superfícies, substituição de átomos para formar interfaces, nanotubos e adsorção de moléculas nos nanotubos. Os cálculos foram realizados aplicando-se a Teoria do Funcional de Densidade, com o auxilio do programa CRYSTAL14, utilizando o funcional híbrido B3LYP, com o conjunto de funções de base all-electron. A metodologia aplicada conserva a periodicidade dos sistemas cristalinos (1D para nanotubos, 2D para superfícies ou 3D para bulk), em que os blocos de construção são compostos por células unitárias e podem ser replicados pelo operador de simetria. As análises topológicas foram realizadas aplicando-se a Teoria Quântica de átomos em Moléculas de Bader. Após a escolha do nível de teoria, as propriedades estruturais, eletrônicas, vibracionais, topológicas e constantes elásticas e piezoelétricas foram analisadas para o bulk. Partindo da estrutura otimizada, os átomos de zinco foram substituídos por Mn2+ e Al3+, simulando sistemas dopados. Paralelamente, foi realizado o estudo do comportamento das constantes elásticas e piezoelétricas em função da variação de pressão hidrostática, que mostrou a resposta piezoelétrica do ZnO aumenta em função da pressão. Após o estudo do bulk, as superfícies (101 ̅0), (112 ̅0) e (0001) foram analisadas e estudadas através de sua energia superficial, propriedades estruturais, eletrônicas e topológicas. A partir da monocamada da superfície (0001), os nanotubos armchair, zigzag e quiral foram gerados e estudados de acordo com sua obtenção, estabilidade e diferentes propriedades. A adsorção de moléculas de NH3 à parede dos nanotubos armchair e zigzag foi estudada onde foram investigadas as alterações nas propriedades decorrentes da adsorção, mostrando que os nanotubos de ZnO são possíveis de serem aplicados em sensores de gás amônia. Por fim, o estudo de sistemas com interface ZnO/GaN foram estudadas para as superfícies (101 ̅0) e (112 ̅0) e nanotubos armchair e zigzag. Ao final, concluiu-se que os sistemas de interface podem ser aplicados em LEDs, por exemplo, pois o controle de espessura e material pertencente à camada externa da interface leva a diferentes emissões no espectro eletromagnético, indo do UVA ao Verde. Com este estudo, pretendeu-se investigar o máximo das três morfologias do ZnO na fase wurtzita e sugerir algumas possíveis aplicações.
Computational chemistry has proved to be a very useful tool in the scientific field and has been increasingly used in the research of new materials. Among the many systems studied with the aid of computational chemistry, we highlight zinc oxide (ZnO), widely used in many electronic devices such as sensors, solar cells, UV light emitting diodes and laser diodes. At room temperature and pressure, the most stable crystalline structure of ZnO is hexagonal of the wurtzite type, in which the zinc atoms are coordinated to four oxygen atoms. Due to the tetrahedral coordination and lack of center of symmetry of this structure, the ZnO presents piezoelectric properties and can be applied in piezoelectric sensors, for example. Currently, there are many papers related to ZnO, however the number of theoretical articles in relation to the experimental works are still small. In this sense, this project aimed the analysis of ZnO properties in three different morphologies, bulk, surfaces and nanotubes, applying the main techniques of computational modeling to solid state such as the choice of density functional and basic functions, optimization of geometry, doping by atom replacement, calculation of elastic and piezoelectric constants, hydrostatic pressure simulation applied to unit cell, bulk section to generate surfaces, replacement of atoms to form interfaces, nanotubes and adsorption of molecules in nanotubes. The calculations were performed applying the Density Functional Theory, with the help of the CRYSTAL14 program, using the hybrid function B3LYP, with the set of all-electron base functions. The applied methodology preserves the periodicity of the crystalline systems (1D for nanotubes, 2D for surfaces or 3D for bulk), in which the building blocks are composed of unit cells and can be replicated by the symmetry operator. The topological reviews were performed applying the Quantum Theory of atoms in Bader's Molecules. After choosing the level of theory, the structural, electronic, vibrational, topological and elastic and piezoelectric constants were analyzed for bulk. From the optimized structure, the zinc atoms were replaced by Mn2+ and Al3+, simulating doped systems. In parallel, a study of the behavior of the elastic and piezoelectric constants was conducted due to the hydrostatic pressure variation, which showed that the piezoelectric response of ZnO increases according to the pressure. After the bulk study, the surfaces (101 ̅0), (112 ̅0) and (0001) were analyzed and studied through their surface energy, structural, electronic and topological properties. From the surface monolayer (0001), the armchair, zigzag and chiral nanotubes were generated and studied according to their obtainment, stability and different properties. The adsorption of NH3 molecules to the wall of the armchair and zigzag nanotubes was studied and an investigation of the changes in the adsorption properties was carried out, showing that ZnO nanotubes are possible to be applied in ammonia gas sensors. Finally, the study of systems with ZnO/GaN interface was conducted for the surfaces (101 ̅0) and (112 ̅0), and armchair and zigzag nanotubes. At the end, it was concluded that the interface systems can be applied in LEDs, for example, because the control of thickness and material belonging to the outer layer of the interface leads to different emissions in the electromagnetic spectrum, going from UVA to green. This study aimed to investigate the maximum of three ZnO morphologies in the wurtzite phase and to suggest some possible applications.

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Palavras-chave

ZnO, DFT, Dopagem, Nanotubo, Interfaces, Superfícies, Doping, Nanotube, Interface, Surface

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