Naphthylene-γ: theoretical proposition of 1D and 2D systems formed by phenyl and naphthyl blocks connected by square rings

Autor: BESERRA, David Joseph Pereira
Přispěvatelé: GUERINI, Silvete Coradi, GIRÃO, Eduardo Costa, GARGANO, Ricardo, AZEVEDO, Sérgio André Fontes, SANTOS, Clenilton Costa dos
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFMA
Universidade Federal do Maranhão (UFMA)
instacron:UFMA
Popis: Submitted by Jonathan Sousa de Almeida (jonathan.sousa@ufma.br) on 2022-10-10T13:59:24Z No. of bitstreams: 1 DAVIDJOSEPHPEREIRABESERRA.pdf: 68212454 bytes, checksum: 971a1f80dc673734b7f93ef4c1e02e5f (MD5) Made available in DSpace on 2022-10-10T13:59:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DAVIDJOSEPHPEREIRABESERRA.pdf: 68212454 bytes, checksum: 971a1f80dc673734b7f93ef4c1e02e5f (MD5) Previous issue date: 2022-09-27 CAPES Since synthesizing graphene in 2004, the search for modification in its properties, specialty the electronic one, has motivated the study of carbon allotropes with different symmetries that disrupt the graphene’s traditional honeycomb lattice. In addition to the geometric modifications, an efficient approach to tune the electronic properties of carbon-based materials is, since heteroatom insertion, to a complete system composed of another chemical species, like boron nitride, or simply BN. From a fundamental point of view, boron and nitrogen have deficiency and excess of one valence electron relative to carbon, and they have similar atomic radii. Here, a new carbon allotrope is proposed. It is named the naphthylene-γ, which is theoretically constructed by combining phenyl-like (P) and naphthyl-like (N) blocks joined by 4-membered links, resulting in a system with large 10- and 12-ring pores. Furthermore, the naphthylene-γ is suitable to be cast into a boron- nitride configuration since it is a bipartite structure featuring only even-membered rings. It turns out BN configurations of naphthylene-γ can potentially result in systems suitable to be embedded into nanoelectronics applications since they are expected to exhibit robust band gaps. With this motivation, several hybrid systems were hypothetically proposed by replacing part of naphthylene-γ’s C atoms for BN sectors with different concentrations. It was utilized first-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT), implemented on the SIESTA code. The naphthylene-γ has a semiconductor behavior, and theory predicts that this property is shared by its nanoribbon counterparts. The computational analysis also indicates the electronic structure of these systems is dictated by quasi-1D states due to the interplay between the system’s geometry (e.g., chirality and edge structure) and its electronic properties. The energy gap for the hybrid γ systems does not vary monotonically with increasing BN concentration. In fact, strategical choices for the sites undergoing C-to-BN substitution result in specific modifications in the electronic signature of the systems. It was also investigated full-BN naphthylene-γ sheets, which show band gaps significantly different from those of hexagonal-BN. It further investigated nanoribbons based on these BN sheets, showing that they closely follow the properties of their parent 2D structure as they feature frontier states internally located over the ribbon structures. Desde a síntese do grafeno em 2004, a busca por modificações em suas propriedades, principalmente eletrônicas, tem motivado o estudo de formas alotrópicas de carbono que diferem da simetria hexagonal, característica do grafeno. Além de modificações geométricas, uma abordagem eficaz na modulação das propriedades eletrônicas de materiais baseados em carbono consiste, desde a inserção de heteroátomos, até a composição completa da estrutura por átomos de diferentes espécies químicas, como é o caso do uso do nitreto de boro (BN). Neste trabalho, propõe-se um novo alótropo de carbono chamado naphthylene- γ, o qual é conceitualmente composto pela fusão de unidades do tipo fenil e naftil através de anéis quadrados. Geometricamente, este sistema possui largos poros, compostos por 10 e 12 átomos. Além disso, o naphthylene-γ tem a característica de possuir apenas anéis com número par de átomos, formando uma estrutura bipartida, o que o torna adequado para ser construído em uma configuração com nitreto de boro. É de se esperar que tal sistema exiba um largo gap eletrônico, podendo ser empregado em nanoeletrônica. Devido às características interessantes apresentadas pelo naphthylene-γ, também foram propostos sistemas híbridos a partir da substituição dos átomos de carbono por BN, os quais compunham os blocos básicos de construção do naphthylene-γ, com diferentes concentrações. Com o objetivo de estudar o que se propõe, utilizou-se uma abordagem de primeiros princípios, baseados na Teoria do Funcional da Densidade, implementado no programa SIESTA. Observou-se que o naphthylene-γ é um semicondutor com gap eletrônico igual a 0,12 eV. Esta propriedade é compartilhada também por suas respectivas nanofitas, cuja estrutura eletrônica é regida por estados quasi-1D a depender da geometria dos sistemas (quiralidade e estrutura das bordas). Para os sistemas γ híbridos, observou- se que o gap eletrônico não varia monotonicamente com o aumento da concentração de BN. De fato, escolhas estratégicas para as unidades substituídas por BN resultam em modificiações específicas na assinatura eletrônica dos sistemas. Além disso, sistemas completamente compostos por BN também foram investigados, chamados γ-BN (I) e γ-BN (II), e apresentaram gaps eletrônicos consideravelmente diferentes do nitreto de boro hexagonal. Nanofitas baseadas nesses sistemas BN também foram investigadas e apresentaram propriedades semelhantes ao correspondente 2D, visto que seus estados de fronteira estão localizados internamente nas estruturas das nanofitas.
Databáze: OpenAIRE
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