Defesa de Tese de Doutorado #413 – Nestor Javier Fajardo Reina – 28/02/2023

Structural, electronic and mechanical properties of two-dimensional silica SiO2

Autor: Nestor Javier Fajardo Reina

Banca Examinadora

Prof. Ricardo Wagner Nunes (Orientador)

DF/UFMG

Prof. Bernardo Ruegger Almeida Neves

DF/UFMG

Prof. Edmar Avellar Soares

DF/UFMG

Prof. Pedro Paulo de Mello Venezuela

IF/UFF

Prof. Rodrigo Barbosa Capaz

IF/UFRJ

Prof. Mario Sergio de Carvalho Mazzoni (Suplente interno)

DF/UFMG

Prof. Matheus Josué de Souza Matos (Suplente externo)

DF/UFOP

Orientação

Prof. Ricardo Wagner Nunes (Orientador)

DF/UFMG

Resumo do Trabalho

Structural, electronic and mechanical properties of pristine 2D- SiO2 bilayer, considering neutral native defects, and substitutional impurities: Al, B and P, and also some topological defects, have been adressed, by employing the Kohn-Sham DFT approach as implemented in SIESTA and VASP softwares. We identify a marked tendency for the appareance of strongly spatially localized defect states in the energy gap and ressonances in the valence and conduction bands, with some independence of being shallow or deep within the band gap. This highly located states are consequence of quantum confinement and enhanced Coulombic effects in this 2D system. The 2D- SiO2 lattice responds locally to the induced deformation in the studied point defects, and we propose low energy structural excitations: scissor and rotation modes as responsible. We believe these soft modes are in deep relation with the mechanical response of 2D- SiO2 . Oxygen vacancies and single interstitials are found to be amphoteric trappping centers in 2D- SiO2 . The aluminium impurity induces spin separation, showing a different degree of localization of each spin channel. The Stone-Wales (SW) defect shows an interesting behaviour: it is energetically more feasible to turn both layers than to turn just one. Using the Wu, Zhang and Pantelides’s (WZP) methodology we show that only neutral and negative charged states are allowed in the phosphorus impurity. The 2D- SiO2 bilayer displays a singular mechanical behaviour: as in the 3D couterpart [UTF-8?](α-quartz), exhibits two different elastic linear regimes; and in contrast, 2D- SiO2 exhibits a wide range of elastic response, being able to return to the unstrained ground state starting from large strains in ZZ and AC directions. The energy surface of this system exhibits many available metastable states, and the transit between them can be driven by scissor and rotation degrees of freedom associated with the Si-O-Si bonds. We propose a kind of hyperelasticity in this material is driven not by usual mechanisms such as formation of dislocations or plastic flow, but by strain-induced transitions, where the system starts a new elastic response from a new minimun offered by the many-minima energy surface.

Neste trabalho são estudadas as propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de uma bicamada de SiO2 bidimensional, considerando defeitos pontuais nativos e impurezas substitucionais: Al, B e P, assim como alguns defeitos topológicos. Este estudo é realizado usando a metodologia da teoria do funcional da densidade (DFT) como implementado nos softwares SIESTA e VASP. Identificamos uma marcada tendência à formação de estados de defeito fortemente localizados no gap de energia assim como ressonâncias fortemente localizadas nas bandas de valência e de condução, com certa independência do fato dos estados ser rassos ou profundos dentro do gap. Estes estados altamente localizados são consequência do confinamento quântico e o fortalecimento da interação de Coulomb, en este sistema bidimensional. A rede da silica 2D responde localmente às deformações inducidas pelos defeitos pontuais estudados, que temos explicado postulando excitações de baixa energia: modos de tissoura e de rotação. Acreditamos que estes modos estão em profunda relação com a resposta mecânica da silica 2D. As vacâncias de oxigênio e o oxigênio intersticial se comportam como centros de captura de carga anfotéricos (amphoteric) na silica 2D. A impureza de Al induce separação de spin, mostrando um grau diferente de localização para cada canal de spin. O defeito Stone-Wales(SW) mostra um comportamento inesperado: é energeticamente mais favorável virar as duas camadas, que virar somente uma. Usando a metodologia proposta por Wu, Zhang e Pantelides (WZP), mostramos que, quando dopado com fósforo, são permitidos unicamente o estado neutro e o negativamente carregado. A silica 2D exhibe um comportamento mecânico singular: como os silicatos 3D [UTF-8?](α-quartz), na região linear mostra dois regimes diferentes de elasticidade, e em contraste, a silica 2D mostra uma ampla faixa de resposta elástica, tendo a capacidade de retornar ao estado fundamental não deformado partindo de altos valores de deformação, tanto na direção ZZ quanto na direição AC. A superficie de energia deste sistema possui muitos estados metaestáveis, e a transição entre eles pode ser explicada pelo envolvimento dos graus de liberdade associados aos modos de tissoura e rotação das ligações Si-O-Si. Neste trabalho propomos que uma especie de hiperelasticidade neste material é dirigida, não pelos mecanismos usuais, tais como formação de discordâncias ou fluxo plástico, mas por transições inducidas pela deformação, onde o sistema começa uma nova resposta elástica a partir de um mínimo novo oferecido pela superfície de energia.

Topic: Defesa de tese – Nestor Reina
Time: Feb 28, 2023 02:00 PM Sao Paulo

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