Propriedades eletrônicas e estruturais de nanoestruturas de dióxido de titânio por primeiros princípios
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Autor(es)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Klaus Wilhelm Heirinch Krambrock
Simone Silva Alexandre
Abner de Siervo
Roberto Hiroki Miwa
Simone Silva Alexandre
Abner de Siervo
Roberto Hiroki Miwa
Resumo
Nesta tese, aplicamos cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT - Density Functional Theory) para estudar propriedades eletrônicas e estruturais de nanoestruturas de TiO2. Consideramos dois problemas principais: A caracterização dos estados de borda em nanofitas e a descrição da estrutura eletrônica do estado fundamental de nanosuperfícies de TiO2 interagindo com nanoestruturas de carbono. Para o primeiro problema, mostramos que os estados de borda são encontrados como estados de gap ou definindo o fundo da faixa de condução. Mostramos também que, através da dopagem com elétrons, um processo que é facilitado pela alta função trabalho do material, uma fenomenologia de meia-metalicidade aparece, com a condução de uma única componente de spin ao longo das bordas. Explicamos a estabilidade dos estados de borda carregados em termos de um modelo U-negativo. Para o segundo problema, investigamos a interação de nanosuperfícies de TiO2 com nanomateriais de carbono (nanotubos e grafeno). Em uma primeira abordagem, usamos o formalismo DFT com o funcional de troca e correlação parametrizado dentro da aproximação do gradiente generalizado. Como resultado, encontramos que a simples deposição dessas nanoestruturas, uma sobre a outra, leva a uma transferência de carga entre os subsistemas. Em uma segunda abordagem, usamos o método DFT+U, o qual fornece uma descrição melhor da interação entre os elétrons mais localizados pertencentes aos átomos de titânio. Aplicada aos materiais híbridos de TiO2 e carbono, a abordagem DFT + U mostrou que tais sistemas podem aumentar a eficiência dos processos de fotocatálise do TiO2, pois a descrição do estado fundamental é consistente com a ideia de separação espacial do par elétron-buraco.
Abstract
In this work, we applied rst principles calculations based on the Density Functional Theory (DFT) to study electronic and structural properties TiO2 nanostructures. We considered two main problems: The characterization of edge states in nanoribbons and description of the ground state electronic structure of TiO2 nanosurfaces interacting with carbon nanostructures. For the rst problem, we showed that edge states are found as gap states or dening the bottom of the conduction band. We also found that, by doping with electrons, a process which is facilitated by the high work function of the material, a half-metallicity phenomenology arises, with a single spin component conduction along the edges. We explained the stability of the charged edge states in terms of a U-negative model. For the second problem, we investigated the interaction of TiO2 nanostructured surfaces with carbon nanomaterials (nanotubes and graphene). In a first approach, we used the DFT formalism with an exchange-correlation functional parametrized within the generalized gradient approximation. As a result, we found that the simple deposition of these nanostructures, one on top of the other, leads to a charge transfer between the subsystems. In a second approach, we used the DFT+U method, which gives a better description of the interaction between the most localized electrons belonging to titanium atoms. Applied to the hybrid TiO2-carbon materials, the DFT+U approach showed that such systems may improve the TiO2 photocatalysis processes eciency since the description of the ground state is consistent with the idea of spatial separation of the phote generated electron-hole pair.
Assunto
Estrutura Eletrônica, Nanoestrutura, Nanotubos
Palavras-chave
Física