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http://hdl.handle.net/1843/71329| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Proposal of a novel two-dimensional semiconductor: a first-principles investigation |
| Título(s) alternativo(s): | Proposição de um novo semicondutor bidimensional: uma investigação em primeiros princípios |
| Autor(es): | Mirela Rodrigues Valentim |
| primer Tutor: | Mário Sérgio de Carvalho Mazzoni |
| primer miembro del tribunal : | Ângelo Malachias de Souza |
| Segundo miembro del tribunal: | Ronaldo Junio Campos Batista |
| Resumen: | The exploration and investigation of two-dimensional (2D) materials have earned significant attention in recent years, primarily driven by the emergence of graphene, a compound of unique properties that allows for numerous applications. TMDs, MXenes, hexagonal boron nitride, silicene and phosphorene can be mentioned as examples of trending 2D materials. In this work, we propose and characterize a novel two-dimensional material with chemical composition B2N2O2, which can be regarded as an oxidized boron nitride layer. Employing a combination of theoretical and computational techniques based on Density Functional Theory, we predict a number of low-energy geometries and assess their properties. Calculations performed with USPEX, a software for crystal structure prediction, show that the oxidation leads to a substantial restructuring. In the most stable configurations, the resulting lowest-energy compounds were found to be slabs featuring zigzag arrays of nitrogen atoms bonded to boron atoms which, in turn, are bridged by oxygen. We investigate their energetic, thermal and dynamic stability through formation energy, phonon dispersion calculations and molecular dynamics simulations, from which we found that the structures are remarkably stable. To determine their electronic properties, we carried out band structure and mobility calculations for a phonon-mediated mechanism. The former revealed that the compound is a wide band-gap semiconductor with parabolic band edges, and the latter, performed within the deformation potential approach, indicated large electron and hole mobilities. We ascribe these result to the existence of electronic channels formed by the zigzag array of nitrogen bonds, which define the edges of both conduction and valence bands. Additionally, we propose a potential synthesis mechanism for the compound based on oxygen functionalization and application of pressure. Lastly, we demonstrate that the results obtained in this study can be extended to a broader family of two-dimensional compounds, that can be investigated in future works. |
| Abstract: | A exploração e investigação de materiais bidimensionais (2D) ganharam significativa atenção ao longo dos últimos anos, impulsionado principalmente pelo surgimento do grafeno, um composto de propriedades únicas e com inúmeras aplicações. TMDs, MXenes, nitreto de boro hexagonal, siliceno e fosforeno podem ser mencionados como exemplos de materiais 2D em destaque no momento. Neste trabalho, propomos e caracterizamos um novo material bidimensional com composição química B2N2O2, que pode ser visto como uma camada de nitreto de boro oxidada. Empregando uma combinação de técnicas teóricas e computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade, previmos várias geometrias de baixa energia e avaliamos suas propriedades. Cálculos realizados utilizando o USPEX, um software para previsão de estrutura cristalina, mostram que a oxidação leva a uma reestruturação substancial. Nas configurações mais estáveis, descobriu-se que os compostos de menor energia resultaram em slabs com átomos de nitrogênio arranjados em zigue-zague e ligados a átomos de boro que, por sua vez, encontram-se ligados aos oxigênios. Investigamos sua estabilidade energética, térmica e dinâmica através de cálculos de energia de formação, dispersão de fônons e simulações de dinâmica molecular, a partir dos quais atestamos a notável estabilidade desses materiais. A fim de determinar suas propriedades eletrônicas, realizamos cálculos de estrutura de bandas e mobilidade para um mecanismo mediado por fônons. Enquanto o primeiro revelou que o composto é um semicondutor de gap largo com bandas de bordas parabólicas, o último, realizado seguindo a abordagem do potencial de deformação, indicou grandes valores de mobilidade de elétrons e buracos. Atribuímos esse resultado à existência de canais eletrônicos formados pelas ligações em zigue-zague dos átomos de nitrogênio, que definem as bordas das bandas de condução e de valência. Adicionalmente, propomos um potencial mecanismo de síntese para o material a partir da combinação da funcionalização dos oxigênios juntamente à aplicação de pressão. Por fim, demonstramos que os resultados obtidos neste estudo podem ser estendidos a uma ampla família de compostos bidimensionais, que podem ser investigados em trabalhos futuros. |
| Asunto: | Semicondutores Teoria do Funcional da Densidade |
| Idioma: | eng |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Sigla da Institución: | UFMG |
| Departamento: | ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA |
| Curso: | Programa de Pós-Graduação em Física |
| Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/71329 |
| Fecha del documento: | 21-jul-2023 |
| Aparece en las colecciones: | Dissertações de Mestrado |
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