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Type: Tese de Doutorado
Title: Estudo das propriedades eletrônicas e estruturais de defeitos topológicos e fronteiras de grão em grafeno primeiros princípios
Authors: Joice da Silva Araujo
First Advisor: Ricardo Wagner Nunes
First Referee: Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cancado
Second Referee: Mario Sergio de Carvalho Mazzoni
Third Referee: Roberto Hiroki Miwa
metadata.dc.contributor.referee4: Ronaldo Junio Campos Batista
Abstract: Nesta tese, realizamos cálculos de primeiros princípios, baseados na Teoria do Funcional da Densidade de Kohn-Sham, com a aproximação do pseudopotencial, para investigar a energética e as propriedades eletrônicas e estruturais de grafeno policristalino e degrafeno contendo defeito topológicos. A motivação para esse trabalho decorre de serem fronteiras de grão e defeitos topológicos temas de destaque atual na física do grafeno sintetizado através da redução química do óxido de grafeno ou pela técnica de chemical vapor deposition. A tese consiste de quatro trabalhos interrelacionados. No primeiro trabalho, consideramos três fronteiras de grão do tipo tilt em grafeno, com diferentes ângulos de desalinhamento entre grãos adjacentes, formadas por uma repetição periódica de pares de pentágonos e heptágonos. Esse foi o modelo proposto para uma fronteira de grão observada, via scanning tunneling microscopy, sobre uma superfície de Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG), em 2002. Nossos cálculos revelam um comportamento não monotônico daenergia de formação com o ângulo tilt e a ocorrência de um novo cone de Dirac anisotrópico no nível de Fermi, em um ponto k situado ao longo da direção da fronteira, na zona de Brillouin. No segundo trabalho, investigamos a possibilidade de que o magnetismo observado experimentalmente em fronteiras de grão em HOPG, possa ser devido á vacâncias que se formam nesse defeito. Nossos cálculos indicam que vacâncias na fronteira de grão em grafeno introduzem estados localizados no nível de Fermi, com instabilidades que levama estados magnéticos, e que a energia de formação de vacâncias émais baixa no caroço das fronteiras de grão, principalmente nas regiões de compressão do defeito. No terceiro trabalho, consideramos folhas planas e corrugadas de grafeno, com diferentes concentrações de pentágonos e heptágonos, para estudar os efeitos da corrugação naestabilidade e nas propriedades eletrônicas de folhas de grafeno defeituosas. Nossos resultados revelam que redes de defeitos topológicos exibem toda a gama de comportamentos eletrônicos, incluindo metais, semicondutores de gap nulo e semicondutores degap finito, dependendo da concentração de defeitos. De modo geral, a corrugaçãoo tende a reduzir a densidade de estados no nível de Fermi, a aumentar o gap ou a abrir gap em alguns casos, nos quais a respectiva estrutura planar é metálica. Nossos cálculos indicam também a ocorrência de uma instabilidade de estruturas planares quando a concentração de defeitos é menor que um certo valor crítico, pois, anéis de carbono com cinco e sete lados introduzem campos locais de curvatura positiva e negativa, respectivamente, para manter a coordenação tripla de cada átomo da folha. No último trabalho, estudamos os efeitos de deformações compressivas não homogêneas e buracos em folhas de grafeno, grafano e grafenol, que possuem inicialmente altas concentrações de pares de pentágonos e heptágonos separados. Permitindo-se a relaxação da deformação, encontramos que os defeitos topológicos tendem a se aglomerarem em uma rica variedade de padrões morfológicos com características estruturais dependentes da natureza da deformação inicial imposta sobre o sistema. Muitos destes aglomerados de defeitos topológicos tem baixas energias de formação. Os resultados estão em excelenteacordo com os padrões observados experimentalmente em amostras de óxido de grafeno reduzido, que apresentam áreas com aglomerados de defeitos topológicos.
Abstract: In this thesis, we perform first-principles calculations, based on the Kohn-Sham formulation of density functional theory, within the pseudopotential approximation, to investigate the energetics and the electronic and structural properties of polycrystalline grapheneand graphene containing topological defects. The work is motivated by the fact that, presently, grain boundaries and topological defects are topics of prominence in the physics of graphene obtained via chemical reduction of graphene oxide or via chemical vapor deposition technique.The thesis is comprised of four interrelated studies. In the first work, we consider tilt grain boundaries in graphene for three different values of the tilt angle between adjacent grains. The geometry of the boundary is formed by a periodic succession of pentagon-heptagon pairs, which is the structural model proposed for a grain boundary observed via scanning tunneling microscopy, on the surface of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) in 2002. Our calculations indicate that the formation energy behaves nonmonotonically with the tilt angle and also the generation of a anisotropic Dirac cone at the Fermi level at ak-point that lies along the boundary direction in the Brillouin zone.In the second work, we investigate the possibility that the magnetism observed experimentally in a grain boundary on the surface of HOPG sample can be due to vacancies in the grain boundary core. Our calculations show that vacancies in grain boundaries in grapheneintroduce localized states at the Fermi level, with instabilities leading to magnetic states, and also that vacancies are more favorably formed in the grain boundary core, mostly in compression regions of the defect.In the third work, we consider planar and corrugated graphene sheets with different concentrations of pentagonal and heptagonal carbon rings to study the corrugation effects in the stability and electronic properties of defective graphene sheets. Our results indicate the full variety of single-particle electronic including genuine metals, graphenelike nullgap semiconductors, and also finite-gap semiconductors. Generally, corrugation tends to reduce the DOS at Fermi level, to widen the gap, or even lead to gap opening in some cases where the parent planar geometry is metallic. Our calculations also indicate an instabilityof planar geometries when the topological defect concentration is smaller that a critical value, because five and seven-membered carbon rings develop positive and negative local curvature fields, respectively, in order to preserve the tri-coordination of each carbon atom in the sheet.In the last work, we study the effect of compressive deformations and holes in graphene, graphane, and graphenol sheets with a high initial concentration of dissociated pentagonheptagon pairs. We find that, upon relaxation, topological defects tend to cluster in a rich variety of morphological patterns, with morphological features that depend of the nature of the initial strain imposed on the system. Many of these topological-defect clusters have low formation energies, upon strain relaxation. The results are in excellent agreement with the patterns observed recently in samples of reduced graphene oxide that have largeareas with topological defect clusters.
Subject: Propriedades eletrônicas
Física
Grafeno
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8MTFQV
Issue Date: 24-Aug-2011
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