Dissertação de Mestrado #736 – Leonardo Rodrigues Marques – 04/10/2024
" Texturas magnéticas em nanofitas topológicas de grafeno:efeitos de codopagem (boro e nitrogênio) e de um defeito linear."
Autor: Leonardo Rodrigues Marques
Banca Examinadora
Prof. Edmar Avellar Soares
DF/UFMG
Prof. Nestor Javier Fajardo Reina
DF/UFOP
Orientação
Prof. Ricardo Wagner Nunes
DF/UFMG
Simone Silva Alexandre (Coorientadora)
DF/UFMG
Resumo do Trabalho
Nanofitas de grafeno são um dos nanosistemas mais estudados, tanto experimetal quanto teoricamente. Nesse trabalho, realizamos um estudo com base no formalismo de primeiros princípios baseado na teoria do funcional da densidade (DFT) das propriedade eletrônicas e magnéticas de nanofitas de grafeno com terminação armchair e 11 linhas de átomos de carbono em sua largura, denotada por 11AGNR. Consideramos a 11AGNR quando codopada por dímeros de boro e nitrogênio, e também com a inclusão de um defeito unidimensional formado por uma unidade que consiste de anéis pentagonais e octogonais, usualmente denotado por defeito 558. Nesse estudo, endereçamos novas propriedades de um dos nanomateriais mais estudados: nanofitas de grafeno. Trabalho anterior de Louie e colaboradores mostra que a introdução de dopantes na forma de dois dímeros, um de nitrogênio e um de boro, tornam essa fita um isolante topológico Z2, com fase topológica protegida por simetrias de espelho.
Uma primeira etapa do estudo consistiu de um exame detalhado da estrutura da nanofita introduzida no trabalho de Louie et al., em que dímeros de B e N foram introduzidos na 11AGNR. Nossa investigação sobre esse sistema, que denotamos por B&N-11AGNR, nos levou a duas observações importantes: (i) que há um textura de spin antiferromagnética nessa nanofita, induzida pela presença dos dopantes; (ii) que as bandas de valência e condução, acima e abaixo do nível de Fermi, tem contribuição significativa de átomos de carbono nas linhas de átomos em que se situam os dímeros de B e N. Nenhuma dessas duas conclusões foram reportadas no trabalho de Louie et al..
Analisamos também o efeito de um strain tensivo aplicado sobre a B&N-11AGNR. Observamos que o strain leva a uma redução na dispersão das bandas de estados eletrônicos do sistema e a uma amplificação da magnitude da textura de spin. Em uma segunda etapa, introduzimos o defeito linear 558 em uma nanofita pristina (semos dopantes), de modo a identificar as mudanças na estrutura eletrônica dessa nanofita devidas somente ao defeito 558. Esse sistema foi denotado por 11AGNR+558. Observamos que o defeito 558 induz a formação de bandas flat no nível de Fermi e de polarização de spin na estrutura de bandas, o que leva a um estado com momento magnético de 1.6 μB .
Em uma etapa final, investigamos as mudanças na estrutura eletrônica quando incluímos os dímeros de B e N e o defeito linear. Investigamos dois casos, o primeiro é quando os dímeros de B e N são introduzidos no núcleo do defeito 558. A competição entre a textura de spin antiferromagnética induzida pelos dímeros de B e N e o estado ferromagnético induzido pelo defeito 558 leva a estados eletrônicos sem polarização de spins, nos dois casos que investigamos: (i) quando os dímeros estão situados no núcleo do defeito 558 e (ii) quando os dímeros se situam em linhas da átomos imediatamente vizinhas ao núcleo do defeito.
Os dois casos levam a um estado semicondutor, com gap eletrônico de 0.38 eV e 0.23 eV, respectivamente, e diferem pela distribuição de carga dos estados eletrônicos das bandas de valência e condução: no primeiro caso os estados da banda de valência se concentram no núcleo do defeito 558, na vizinhança do dímero de nitrogênio, enquanto os estados da banda de condução se concentram na vizinhança dos dímeros de boro. Já no segundo caso, a densidade de carga dos estados da banda de condução se concentram no núcleo do defeito 558, e tem um prefil muito similar aos estados de borda em fitas zizgag de grafeno, enquanto os estados da banda de valência são mais difusos e têm densidade de carga apreciável na região dos dímeros de boro.
Em ambos os casos, observamos a ocorrência de bandas de baixa dispersão próximas ao nível de Fermi (que se situa no gap eletrônico em ambos os casos), que podem levar a estados magnéticos por dopagem ou quando strain é aplicado ao sistema.
Palavras-chave: Nanofitas de Grafeno, Defeitos Topológicos, Estados Eletrônicos.