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Título: Investigação de primeiros princípios de estruturas de carbono com ligações sp2 e sp3.
Autor(es): Gonçalves, Juliana Aparecida
Orientador(es): Batista, Ronaldo Junio Campos
Oliveira, Alan Barros de
Palavras-chave: Grafeno
Nanotubos de carbono
Nanoestrutura
Hibridização
Data do documento: 2016
Membros da banca: Batista, Ronaldo Junio Campos
Chacham, Hélio
Barboza, Ana Paula Moreira
Referência: GONÇALVES, Juliana Aparecida. Investigação de primeiros princípios de estruturas de carbono com ligações sp2 e sp3. 2016. 54 f. Dissertação (Mestrado em Ciências – Física de Materiais) – Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2016.
Resumo: Alótropos nanoestruturados de carbono têm atraído a atenção de muitos pesquisadores nas últimas décadas. Entre estes alótropos, o grafeno tem sido intensivamente investigado devido suas interessantes propriedades que podem levar a várias aplicações tecnológicas. Outro alótropo de carbono que tem sido muito estudado são os nanotubos de carbono (CNTs). Eles apresentam potencial para aplicações em nanotecnologia, eletrônica, óptica e outras áreas de ciências dos materiais. A combinação de tais materiais podem resultar em estruturas híbridas com novas propriedades interessantes ou eles poderiam melhorar as propriedades que impedem a sua real aplicação, como por exemplo a manipulação de uma única folha de grafeno. Neste trabalho, empregamos cálculos de Primeiros Princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) dentro da Aproximação de Gradiente Generalizado (GGA), como implementado no programa SIESTA, para investigar nanoestruturas compostas por nanotubos de carbono, grafeno e fitas de grafeno de poucas camadas. Observamos que uma estrutura híbrida composta por 4 camadas de grafeno e um nanotubo de carbono (10,0) é a estrutura energeticamente mais estável entre aqueles que combinam tubo e algumas camadas de grafeno. A presença do tubo modifica a resistência mecânica do grafeno e tal estrutura híbrida é ferromagnética, apesar de ser feita de apenas átomos de carbono. Reconstruções de bordas foram observadas quando a estrutura híbrida foi esticada até o seu colapso, o que nos leva a investigar a estrutura de poucas camadas de bordas de grafeno. Um padrão no qual átomos das extremidades de algumas camadas de fitas grafeno formam pentágonos e heptágonos foi identificado. Com base em tal padrão, geramos fitas de grafeno com 3, 4, 5 e 6 camadas. No que diz respeito à estabilidade energética de tais estruturas, notou-se que elas são energeticamente mais estáveis do que nanotubos de carbono (10,0) e C60, os quais existem na natureza. Essas estruturas também têm características ferromagnéticas, que podem ser associadas com a presença de defeitos topológicos, heptágonos e pentágonos, e suas conexões sp2 e sp3.
Resumo em outra língua: Nanostructured carbon allotropes have attracted the attention of many researchers in the last decades. Among those allotropes, graphene has been intensively investigated because of its interesting properties that could lead to several technological applications. Another carbon allotrope that has been widely estudied are carbon nanotubes (CNTs). They also present potential for applications in nanotechnology, electronics, optics and others areas of materials science. The combination of those materials could result in hybrid structures with news interesting properties or they could improve properties that prevent their real aplication, for example the manipulation of a single graphene sheet. In this work , we employ First-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) within the Generalized Gradient Approximation (GGA) as implemented in the SIESTA program, to investigate nanostructures composed of carbon nanotubes and graphene and few-layered graphene ribbons. We observed that a hybride structure composed of 4 graphene layers and a (10,0) carbon nanotube is the energetically more stable structure among those who combine tube and few-layered graphene. The presence of tube modifies the graphene mechanical resistance and such hybrid structure is ferromagnetic despite being made of carbon atoms only. Edges reconstructions were observed when hybrid structure was stretched until its collapse, which lead us to investigate the structure of few-layered graphene edges. A pattern in which the atoms at the edges of few-layered graphene ribbons form pentagons and heptagons was identified. Based on such pattern we generate graphene ribbons with 3, 4, 5 and 6 layers. Regarding the energetic stability of such structures we noted that they are energetically more stable than the (10,0) carbon nanotube and C60, which exist in nature. Those structures also have ferromagnetic characteristics, which coud be associated with the presence of topological defects, heptagons and pentagons, and their connections sp2 e sp3.
Descrição: Programa de Pós-Graduação em Ciências – Física de Materiais. Departamento de Física, Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/7967
Licença: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo autor, 18/04/2016, com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0, que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que seja citado o autor e licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação desta.
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