Propriedades eletrônicas e estruturais de nanotubos de dióxido de titânio por primeiros princípios
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Helio Chacham
Luiz Orlando Ladeira
Luiz Orlando Ladeira
Resumo
Neste trabalho, aplicamos cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT - Density Functional Theory) para estudar nanotubos de TiO2. Primeiramente consideramos os aspectos estruturais. Para isso, propomos nanotubos obtidos a partir do enrolamento de camadas de TiO2 na fase anatase orientadas na direção (001). A estabilidade destas estruturas foi investigada por comparação da energia de strain dos nanotubos com a energia de superfície de nano-fitas de TiO2. Os resultados mostram que os nanotubos tornam-se energeticamente favoráveis para diâmetros em torno de 70 °A, em excelente acordo com a distribuição de diâmetros dos nanotubos de TiO2. Em seguida, consideramos as propriedades eletrônicas visando a modulação do gap por aplicação de campo elétrico transverso. De fato, mostramos a manifestação do efeito Stark gigante, a qual é responsável por uma significante redução do gap. Além disso, estudamos o efeito de dopagens de átomos de carbono e nitrogênio na estrutura eletrônica de camadas de TiO2 (resultados similares são esperados para os nanotubos). Estas dopagens podem ser úteis na tentativa de trazer a absorção ótica do composto TiO2 a partir do ultravioleta para `a região visível do espectro.
Abstract
In this work, we perform first-principles calculations based on the Density Functional Theory (DFT) to study structural and electronic properties of TiO2 nanotubes. Firstly, we address structural aspects. For this purpose we consider a model in which the nanotubes are obtained by rolling up layers of anatase TiO2 oriented in the (001) direction. Thestability of the resulting structures are investigated by comparing the strain energy of the nanotubes with the surface energies of TiO2 nanoribbons. The results show that nanotubes become energetically competitive for diameters around 70 °A, in excellent agreement whit the diameter distribution of observed TiO2 nanotubes. Next, we considerelectronic properties, aiming at the possibility of gap modulation by the application of transverse electric fields. In fact, we show that a giant Stark effect takes place, which is responsible for a significant gap reduction. Moreover, we study the effect of nitrogen and carbon doping on the electronic structure of TiO2 layers (similar results are expected fornanotubes). These dopings may be useful in the attempt to bring the threshold of optical absortion of TiO2 compounds from the ultraviolet to the visible region of spectrum.
Assunto
Dióxido de titânio, Nanotubos, Estrutura eletrônica, Teoria Funcional da Densidade
Palavras-chave
Dióxido de titânio, Nanotubos, Estrutura eletrônica, Teoria Funcional da Densidade