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Type: Tese de Doutorado
Title: Emergent properties from first principles: d0 magnetism and metal-insulator transitions
Authors: Walber Hugo de Brito
First Advisor: Helio Chacham
First Co-advisor: Maria Carolina de Oliveira Aguiar
First Referee: Gilberto Medeiros Ribeiro
Second Referee: Eduardo Miranda
Third Referee: Mario Sergio de Carvalho Mazzoni
metadata.dc.contributor.referee4: Rodrigo Barbosa Capaz
Abstract: Neste trabalho empregamos diferentes métodos de estrutura eletrônica para o estudo de propriedades emergentes em materiais, em específico, para se investigar o magnetismo d0 em materiais de carbono e transições metal-isolante em óxidos de metais de transição. Na primeira parte da tese estudamos (i) a estabilidade energética relativa, propriedades magnéticas e eletrônicas de nitretos de carbono com estrutura hexagonal; em seguida investigamos (ii) as propriedades estruturais, energéticas, eletrônicas e magnéticas de cristais de politetrauoretileno (Teon) com vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio. Na segunda parte investigamos (iii) as transições metal-isolante nos dióxidos de vanádio e nióbio, concentrando-se nos mecanismos físicos responsáveis pela formação do gap de energia nas fases de baixa temperatura. Em (i) obtivemos um conjunto de estruturas de nitreto de carbono de baixa energia de estrutura hexagonal com diferentes concentrações de nitrogênio. Nesse contexto, identificamos que a estabilidade relativa dessas estruturas está associada ao ganho de energia devido à dopagem eletrônica induzida pelas impurezas de nitrogênio. Adicionalmente, propomos novas estruturas semicondutoras e ferromagnéticas de nitreto de carbono. Em (ii) encontramos que vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio no bulk de Teon dão origem a estruturas sem a quebra da cadeia polimérica. Nesse contexto, obtivemos que impurezas de oxigênio dão origem a configuração mais estáveis energeticamente do que as com vacâncias de fluor. Adicionalmente, encontramos que a formação de estruturas policonjugadas nas cadeias poliméricas é mais estável do que a presença das mesmas isoladas nas cadeias. Encontramos também que vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio podem dar origem a momentos magnéticos locais. Porém, não foi observado nenhum tipo de ordenamento ferromagnético devido ao acoplamento entre os mesmos. Esses resultados, por sua vez, sugerem que as configurações investigadas em nosso trabalho não podem dar origem ao ferromagnetismo observado em _tas de Teon com defeitos estruturais. Porém, em (iii) propusemos um novo mecanismo para a abertura do gap nas fases de baixa temperatura do VO2 e NbO2. Identificamos que a física de Mott é essencial para a descrição de todas as fases do VO2 devido ao fato de que os elétrons nesse material estão próximos a uma transição de Mott. Em relação _as fases M1 e M2 do VO2, observamos que a instabilidade de Mott-Hubbard é \aprisionada" devido a dimerização dos átomos ou surgimento de um ordenamento antiferromagnético. Encontramos também que as correlações eletrônicas não locais favorecem a abertura do gap nas fases de baixa temperatura. Instabilidades de Hubbard só foram encontradas para os átomos de vanádio não dimerizados da fase M2 paramagnética. Em relação ao NbO2, encontramos que as correlações eletrônicas não locais são menos importantes do que no VO2, embora as mesmas desempenham um papel relevante na abertura do gap de sua fase de baixa temperatura.
Abstract: In this thesis we employed electronic structure methods to investigate emergent properties of dierent materials, namely d0 magnetism in carbon based materials and metal insulator transitions in transition-metal oxides. In the rst part, we investigated (i) the morphology, relative energetic stability, electronic, and magnetic properties of graphenelike carbon nitride structures and (ii) the structural, energetics, electronic, and magnetic properties of polytetrauoroethylene (Teon) crystals with uorine vacancies and oxygen impurities. In the second part we studied (iii) the metal-insulator transition in vanadium and niobium dioxides, with focus on the physical mechanism responsible for the gap formation in their low-temperature phases.In (i) we obtained a set of low-energy graphene-like structures with distinct nitrogen concentrations. In particular, we identied that their relative stability is associated with the energy cost due to the charge doping induced by the nitrogen impurities. In addition, new semiconducting and ferromagnetic carbon nitride structures were proposed. In (ii) we obtained that both uorine vacancies and oxygen impurities in bulk Teon lead to structural congurations without the breaking of the carbon backbone. Oxygen impurities were found to be energetically more stable than uorine vacancies. In addition, the formation of polyconjugated structures in the polymer chain was foundto be energetically favorable. The local magnetic moments associated with the point defects do not give rise to any ferromagnetic ordering, which rules out the investigated congurations as the origin of ferromagnetism in defective Teon tapes. Finally, in (iii) we proposed a new mechanism for the gap opening in the lowtemperature phases of VO2 and NbO2. We identied that Mott physics is central for theproper description of all phases of VO2 since its electrons are in the near vicinity of the Mott transition. In the M1 phase and in the antiferromagnetically ordered M2 phase, we found that the Mott-Hubbard instability is arrested due to V-atoms dimerization and antiferromagnetic ordering, respectively. In especial, we obtained that nonlocal electronic correlations support the gap opening in the low-temperature phases. Hubbard instabilities were found only in the case of undimerized V-atoms of the paramagnetic M2 phase. In respect to NbO2, we found that electronic correlations are less important, though they do play a role in the gap opening of its low-temperature phase.
Subject: nitreto de carbono
transições metal-isolante
cristais de politetrafluoretileno (Teflon)
dióxido de vanádio
dióxido de nóbio
Carbono
Física
Magnetismo
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AA8GFH
Issue Date: 7-Mar-2016
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