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JULIANA APARECIDA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO DA ADSORÇÃO DE MOLÉCULAS DE OXIGÊNIO EM
FOLHAS DE SiC
ALFENAS/MG
2013
JULIANA APARECIDA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO DA ADSORÇÃO DE MOLÉCULAS DE OXIGÊNIO EM
FOLHAS DE SiC
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como parte de requisitos
para a aprovação da disciplina de TCC2
do Curso de Física – Licenciatura da
UNIFAL.
Área da concentração: Física da Matéria
Condensada.
Orientadora: Profa. Dra. Juliana M.
Morbec
ALFENAS/MG
2013
Sumário
1 INTRODUÇÃO
7
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
7
3 METODOLOGIA
11
4 RESULTADOS
14
4.1 – ESTUDOS EM NANOFOLHAS 4X4 DE SiC
14
4. 2 – ALTERANDO A CONCENTRAÇÃO DE MOLÉCULAS O2
17
5 CONCLUSÃO
20
REFERÊNCIAS
20
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Sequências de empilhamento dos politipos 6H-, 4H-, 3C- e 2H-SiC projetadas no
plano [1120]................................................................................................................................ 8
Figura 2 - Ligação tetragonal de um átomo de C com os demais quatro átomos, mais
próximos de Si. ........................................................................................................................... 9
Figura 3 - Ilustrações esquemáticas de diferentes nanoestruturas de SiC: (a)nanotubos, (b)
nanofios, (c) nanofolhas, e (d) nanofitas. ................................................................................... 9
Figura 4 - (a) Nanofolha limpa de SiC 4x4, (b) nanofolha de SiC com os possíveis sítios
ocupados pela molécula de O2 (configuração inicial),(c) nanofolha de SiC com os possíveis
sítios ocupados pela molécula de O2 (configuração final após a relaxação) . ......................... 14
Figura 5 - Configuração mais estável para adsorção de moléculas de O2 em nanofolhas de
SiC. ........................................................................................................................................... 15
Figura 6 - Estrutura de Bandas, da (a) folha limpa e (b) folha dopada com O2 (configuração
mais estável). ............................................................................................................................ 16
Figura 7 – Densidades de estados da configuração mais estável com moléculas de O2 em
nanofolhas de SiC. .................................................................................................................... 17
Figura 8 - Densidade de Carga (0,1 e/
) na nanofolha de SiC dopada com moléculas de
O2. ............................................................................................................................................. 17
Figura 9 - Representação dos diferentes tamanhos de nanofolhas de SiC estudadas. .............. 18
Figura 10 - Estrutura de bandas da nanofolha (a) 2x2, (b) 5x5, (c)6x6 de SiC com moléculas
de O2. ........................................................................................................................................ 19
Figura 11 - Densidade de Estados da nanofolha 5x5 de SiC com moléculas O2. .................... 19
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Energia de ligação das configurações investigadas. Os sítios, 1...,5 são mostrados
na Figura 4(c). .......................................................................................................................... 15
Tabela 2 - Energia de ligação, (em eV), das nanofolhas de SiC com diferentes concentrações
de O2 . ...................................................................................................................................... 18
RESUMO
Nos últimos anos, diversos trabalhos teóricos e experimentais foram dedicados ao estudo de
nanotubos, nanofios e nanofitas de SiC. Alguns destes estudos revelaram que as
nanoestruturas de SiC apresentam excelentes propriedades físicas, eletrônicas e mecânicas, e
que são materiais promissores para futuras aplicações em nanoeletrônica e spintrônica. Apesar
das nanoestruturas de SiC possuírem excepcionais propriedades, há poucos estudos que
examinam o efeito de impurezas e defeitos sobre essas propriedades. Assim, motivados pela
alta potencialidade tecnológica das nanoestruturas de SiC e pela escassez de estudos sobre
impurezas nessas estruturas neste trabalho investigamos, através de métodos de primeiros
princípios baseados na Teoria Funcional da Densidade, a adsorção de moléculas de oxigênio
em folhas de SiC. Observamos que a adsorção de moléculas de oxigênio em folhas de SiC é
um processo exotérmico e, embora haja uma diminuição considerável no gap de energia, o
sistema mantém seu caráter semicondutor.
ABSTRACT
In recent years, several theoretical and experimental works have been dedicated to the study
of SiC nanotubes, nanowires and nanoribbons. Some of these studies have revealed that SiC
nanostructures present excellent physical, electronic, and mechanical properties, and they are
promising materials for future applications in nanoelectronics and spintronics. In spite of the
exceptional properties of SiC nanostructures, studies of the effects of impurities and defects in
the properties of the planar structures of SiC are very scarce. Motivated by the great potential
of SiC nanostructures for technological applications and by the relative lack of studies about
impurities in these structures, in this project we have investigated, using first-principles
methods based on density-functional theory, the adsorption of oxygen molecules on SiC
sheets. We observed that the adsorption of oxygen molecules on SiC sheetsis an exothermic
process and, although there is a considerable decrease in the energy gap, the system maintains
its semiconductor character.
7
1 INTRODUÇÃO
O Carbeto de Silício (SiC) é um material semicondutor com excelentes propriedades físicas,
eletrônicas e mecânicas, tais como: largo gap de energia, alta elasticidade, baixa densidade,
estabilidade a altas temperaturas, elevado índice de refração, alta resistência a corrosão, alta
mobilidade eletrônica, alta condutividade térmica, entre outras [1,2]. Devido a essas
excepcionais propriedades, o SiC
tem sido considerado (desde a década de 1950) um
promissor substituto do Si em dispositivos eletrônicos que precisem operar com altas
frequências ou em altas temperaturas. No entanto, as propriedades do SiC podem ser
modificadas pela presença de impurezas, que em geral, injetam elétrons ou buracos no
sistema.
Nos últimos anos tem-se realizado, por diversos pesquisadores teóricos e experimentais,
estudos com nanotubos, nanofios e nanofitas de SiC [3-19]. No entanto, não há até o
momento trabalhos experimentais em nanofolhas e nanofitas de SiC. Mas a síntese de
nanotubos de SiC de parede única [5] abriu as portas para estudos com nanofitas e folhas de
SiC.
Sendo assim, motivados pela alta potencialidade tecnológica das nanoestruturas de SiC e pela
escassez de estudos sobre impurezas em nanofolhas e nanofitas de SiC, examinamos
utilizando cálculos de primeiros princípios baseados na teoria funcional da densidade, a
interação de moléculas de Oxigênio com folhas de SiC e os efeitos dessas moléculas sobre as
propriedades eletrônicas dessas estruturas.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Em 1824, Jöns Jakob Berzelius notou, pela primeira vez, que poderia existir a possibilidade
de compostos ligados quimicamente a partir de carbono e silício[20,21]. Posteriormente em
1893, cristais de SiC foram encontrados pela primeira vez em um meteorito que caiu nos
Estados Unidos. Assim, nesta mesma data, foi realizado o primeiro trabalho de síntese deste
material.
Com excelentes propriedades químicas, físicas e mecânicas, tais como alta velocidade de
saturação e alta condutividade térmica, o SiC é atualmente um dos matérias mais promissores
para aplicações, que necessitem de alta potência, alta frequência, alta temperatura de
operação.
8
Existem diferentes sequências de empilhamento dos átomos de Si e C e, conseqüentemente,
estes empilhamentos formam diferentes estruturas cristalinas (chamadas de politipos).
Existem mais de 200 politipos conhecidos, porém a maior parte das pesquisas realizadas
atualmente estão direcionadas para quatro configurações mais comuns: 3C-SiC, 2H-SiC, 4HSiC e 6H-SiC, onde C é estruturas cúbicas e H estruturas hexagonais. Na Figura 1
apresentamos as sequências de empilhamento desses 4 politipos.
Os vários politipos existentes possuem diferentes propriedades físicas. Por exemplo, o
politipos 3C-SiC possui gap de energia igual a 2,40 eV, enquanto o gap do politipo 2H-SiC é
3,33 eV. Essa característica faz do cristal de SiC um interessante material pois é possível
obter diferentes propriedades físicas controlando a forma de crescimento dos cristais. Todos
estes polítipos, possuem uma estrutura haxagonal, onde o átomo de C está situado acima de
um átomo de Si e no centro de massa desse tetraedro de átomos de Si e C, como vemos na
Figura 2. Nesta figura, a ≅ 3,08 Å é a distância entre os átomos de Si mais próximos; z ≅ 2,52
Å é a distância entre os dois planos consecutivos dos átomos de Si. Como C situa-se no centro
de massa do tetraedro a distância (d), entre C e os quatro átomos de Si vizinhos é a mesma, de
aproximadamente 1,89 Å.
Figura 1 - Sequências de empilhamento dos politipos 6H-, 4H-, 3C- e 2H-SiC projetadas
no plano [1120].
9
Figura 2 - Ligação tetragonal de um átomo de C com os demais quatro átomos, mais
próximos de Si.
Atualmente existem vários processos de síntese das estruturas de SiC e isto têm permitido a
formação de estruturas confinadas em uma ou duas dimensões, por exemplo nanotubos e
nanofios (1D) [3,9,10], e nanofitas e folhas (2D) [11]. Estas estruturas, que atraíram a atenção
de diversos pesquisadores nos últimos anos [3,4, 9-19], combinam as excelentes propriedades
do cristal de SiC com efeitos provocados pelo confinamento de carga em escala nanométrica,
e são interessantes materiais para aplicações em nanoeletrônica e para reforços em
nanocompósitos e sistemas eletromecânicos [22]. Na Figura 3 apresentamos ilustrações
esquemáticas dessas diferentes estruturas.
Figura 3 - Ilustrações esquemáticas de diferentes nanoestruturas de SiC: (a)nanotubos,
(b) nanofios, (c) nanofolhas, e (d) nanofitas.
Vários estudos foram e estão sendo realizados com nanotubos, nanofios e nanofitas de SiC
[3-19]. Nanotubos de SiC foram sintetizados pela primeira vez em 2001 através da reação de
vapor de SiO com nanotubos e nanofibras de Carbono [10]. A estabilidade estrutural e as
10
propriedades eletrônicas de nanotubos de SiC foram investigadas por vários pesquisadores
nos últimos anos [5-8]. Menon e colaboradores [7], por exemplo, examinaram diferentes
configurações de nanotubos de SiC por meio de simulações de dinâmica molecular utilizando
o método tight-binding . Eles puderam observar a formação de uma superfície ondulada onde
os átomos de Si e C formam diferentes cilindros com diferentes diâmetros. Zhao e
colaboradores [8] investigaram o valor do gap de energia em função do raio do nanotubo e da
quiralidade, e observaram que todas as estruturas analisadas são semicondutoras, e que os
nanotubos zigzag apresentam gap direito enquanto os nanotubos armchair exibem um gap
indireto. Além disso, eles verificaram que o gap de energia cresce com o aumento diâmetro
do nanotubo.
Nanofios de SiC foram sintetizados pela primeira vez em 1995, usando nanotubos de carbono
como matriz [23]. Neste trabalho os autores mostram uma abordagem alternativa para a
síntese de estruturas em escala nanométrica com base em nanotubos. A partir disso várias
técnicas foram e estão sendo desenvolvidas para a síntese de nanofios em SiC, principalmente
técnicas baseadas nos mecanismos de crescimento vapor-sólido (VS) e vapor-líquido-sólido
(VLS). Diferentes estudos teóricos e experimentais realizados nos últimos anos mostraram
que as propriedades dos nanofios de SiC são muitas vezes superiores ao do cristal de SiC. Por
exemplo, nanofios de SiC possuem maior elasticidade que SiC bulk [24], e apresentam gap
direto (enquanto o SiC bulk exibe gap indireto) [25]. Além disso, nanofios de SiC apresentam
intensa emissão de luz com comprimentos de onda na faixa entre o azul e o verde, e são
potenciais materiais para a fabricação de diodos de emissão de luz (LEDs) [26].
O potencial tecnológico e a síntese bem sucedida de nanotubos e nanofios de SiC motivaram
várias pesquisas teóricas e experimentais das propriedades dessas nanoestruturas (tais como
os trabalhos citados nos parágrafos anteriores). Porém, poucos trabalhos foram dedicados, nos
últimos anos, ao estudo de nanofitas e folhas de SiC. Isto é devido, provavelmente, à
dificuldade de elaborar estruturas planares estáveis de Si, uma vez que os átomos de Si
preferem a hibridização sp3. Entretanto, a síntese de nanotubos de SiC de parede única [5]
abriu possibilidades para a formação de estruturas planares com átomos de C e Si. Neste
trabalho, os autores investigaram a estabilidade dos nanotubos de SiC, focando em nanotubos
de parece única. Eles observaram que os nanotubos de SiC, com um diâmetro menor que 1,6
nm, são mais estáveis que os nanofios, enquanto estes são mais estáveis que os nanotubos
com diâmetros acima desse valor.
11
Recentemente, nanofitas de SiC foram sintetizadas [11] e alguns estudos teóricos mostraram
que estruturas bidimensionais planares de SiC (com os átomos de Si e C na razão 1:1 e
formando uma estrutura do tipo honeycomb) são estáveis [27-29].
Alguns estudos teóricos (utilizando métodos de primeiros princípios) foram realizados nos
últimos anos para examinar as propriedades magnéticas e eletrônicas de nanofitas de SiC [3032]. Em um desses estudos, Sun e seus colaboradores [30] observaram que as nanofitas
armchair são semicondutoras (com largo gap de energia) e não-magnéticas, enquanto
nanofitas zigzag com largura menor que 4 nm são meio-metálicas (half-metallic). Essa
característica faz das nanofitas zigzag de SiC materiais promissores para futuras aplicações
em spintrônica (como filtros de spin, por exemplo). Porém, impurezas e defeitos podem
modificar as características dessas estruturas. Isto pode ser visto em um recente trabalho de
Costa e Morbec [14], onde eles verificaram que a presença de impurezas substitucionais de
nitrogênio (átomos de N ocupando sítios de C) em nanofitas zigzag transforma nanofitas
meio-metálicas em materiais metálicos. Os autores também notaram que a presença dessas
impurezas em nanofitas armchair leva à perda de degenerescência dos canais de transmitância
de spin, reduzindo o gap de energia dos canais spin-up.
Uma característica interessante de nanotubos e folhas de SiC é que esses materiais possuem
superfícies altamente reativas. Por isso, é importante investigar a adsorção de átomos e
moléculas sobre essas estruturas, e estudar seus efeitos nas propriedades eletrônicas e
magnéticas desses materiais. Alguns estudos teóricos de adsorção de moléculas de O2 em
nanotubos de SiC foram realizados recentemente. Por exemplo, Rui-li e colaboradores [17]
verificaram que a forte interação entre a molécula de O2 e o tubo dá uma caráter metálico ao
nanotubo de SiC. Além disso, eles verificaram que a adsorção de moléculas de O2 em
nanotubos de SiC é mais eficaz do que em nanotubos de Carbono. Isso pode ter grande
utilidade para a detecção de gás e armazenamento de energia [17]. Além disso, a adsorção de
moléculas O2 em nanotubos de SiC é um processo exotérmico com grandes energias de
ligação e transferência de carga considerável, de acordo com Fenglei Cao e colaboradores
[18]. Assim motivados pelos os estudos citados anteriormente e pela escassez do mesmo com
nanofolhas de SiC, examinamos a interação de diferentes concentrações de moléculas de O2
na respectiva folha e os efeitos que estas moléculas causam nas propriedades eletrônicas
dessas estruturas.
3 METODOLOGIA
12
Nosso interesse em realizar este trabalho deve-se a ausência de estudo sobre adsorção de
impurezas em folhas de SiC. Nesse projeto examinamos a interação de moléculas de Oxigênio
em folhas de SiC e investigamos os efeitos dessas moléculas sobre as propriedades eletrônica.
Os cálculos foram realizados dentro da Teoria Funcional da Densidade (DFT) [33-35],
utilizando Aproximação Generalizada do Gradiente (GGA) [36] para tratar os termos de troca
e correlação, onde fizemos uma pesquisa para ver qual seria o mais adequado GGA ou
Aproximação de Densidade Local (LDA) [34]. Foram usadas bases “double-zeta” (DZP) com
função de polarização e para a realização dos cálculos, empregou-se o programa SIESTA
[37].
As folhas de SiC foram simuladas através da aproximação de supercélulas [39] com
condições peródicas de contorno e com um vácuo de ~ 20 Å .Este vácuo foi utilizado com o
objetivo de evitar interações entre as folhas.
A DFT foi formulada na década de 1960, e é atualmente, uma das mais populares e bem
sucedidas formulações da teoria de muitos corpos empregada no estudo de átomos, moléculas
e sólidos e podemos dizer que ela até o momento tem se mostrado a mais eficiente para
formulação ods cálculos eletrônicos e estruturais do estado fundamental. A DFT propõe a
utilização da densidade eletrônica, ao invés da função de onda para encontrar a solução da
Equação de Schrödinger do sistema de muitos corpos, e é fundamentada em dois teoremas
que foram formulados por Hohenberg e Kohn [33]:
Teorema I: O potencial externo ʋ(r), atuando em um sistema de partículas que interagem-se,
é o funcional único da densidade de elétrons do estado fundamental ρ0 (r), a menos de uma
constante aditiva.
Teorema II: A densidade do estado fundamental ρ0 minimiza a energia total E0 [ρ] do
sistema.
Kohn e Sham [34] promoveram um grande avanço na aplicatividade da DFT, através do
esquema Kohn-Sham para resolução do problema de muitos corpos. As equaações de KohnSham (que são equações de partícula única) tem forma:
[-
+ ʋ( ) +
+
]ϕi ( ) = ϵi ϕi ( )
(1)
13
e
ρ
= ρs
2
=
(2)
A expressão exata para o termo de troca-correlação
pois estes funcionais são
(ρ) na DFT não pode ser determinado
complexos. Para serem empregados existem diferentes
aproximações, as mais utilizadas são LDA [34]e GGA (36).
A LDA, foi proposto por Kohn e Sham [34], sendo o método mais simplificado para
descrever a energia de troca-correlação. Na LDA a energia de troca-correlação por um elétron
em um ponto r de um gás de elétron
, e assumindo ser a mesma que em um gás de
elétrons homogêneo, é necessário uma variação suave da densidade. Este método tem
mostrado ser uma boa aproximação, porém se a densidade eletrônica ρ( ) não for bem
distribuída o método LDA não retorna bons resultados. Para tentar corrigir este pequeno
impasse, o funcional
(ρ) é escrito em termos do gradiente da densidade de carga total.
Como mencionado para melhorar a descrição do funcional
(ρ), resultou GGA, onde
expressa-se o funcional em termos do gradiente da densidade
e o valor de ρ em cada
ponto.
Foi utilizado para a realização do presente trabalho o programa computacional SIESTA
(Spanish Initiative for Eletronic Simulations With Thousands of Atoms) [37]. Ele é utilizado
para cáculos de estrutura eletrônica e simulações ab initio de dinâmica molecular de sólidos e
moléculas. Ele é baseado na Teoria Funcional da Densidade e utiliza as aproximações (LDA)
[34] e (GGA) [36] para os funcionais de troca e correlação.
O SIESTA substitui os elétrons do caroço por pseudopotencias para descrever as interações
elétron-íon [38] e expande a função de onda da partícula única usando combinação linear de
orbitais atômicos numéricos.
Os elétrons de moléculas e sólidos são divididos em elétrons do caroço e de valência. Sendo
os elétrons do caroço mais próximos do núcleo e fortemente ligados e os de valência são
responsáveis pelas ligações químicas. Os elétrons de caroço possuem funções que quase não
se alteram quando são colocados em diferentes ambientes químicos e a sua contribuição
apenas considera os elétrons de valência que determinam as propriedades eletrônicas de
moléculas e sólidos. A Aproximação Pseudopotencial utiliza estes princípios e o potencial
14
atômico verdadeiro que é substituído por um pseudopotencial que possui os mesmo efeito dos
elétrons do caroço.
4 RESULTADOS
4.1 – ESTUDOS EM NANOFOLHAS 4X4 DE SiC
O primeiro passo foi determinar o tamanho da nanofolha de SiC, onde optamos pela
configuração 4x4, como mostra a Figura 4(a), devido ser um tamanho relativamente bom para
o início dos cálculos.
(a)
(b)
(c)
Figura 4 - (a) Nanofolha limpa de SiC 4x4, (b) nanofolha de SiC com os possíveis sítios
ocupados pela molécula de O2 (configuração inicial),(c) nanofolha de SiC com os possíveis
sítios ocupados pela molécula de O2 (configuração final após a relaxação) .
Feito isto, analisamos os diversos sítios em que a molécula de oxigênio (O2) poderia ficar na
folha, como mostra a Figura 1(b). Neste caso a concentração de moléculas de O2 é de 3,125%.
Para determinar a configuração mais estável, calculamos a energia de ligação (Eb) através de:
Eb= ET [folha + O2] – ET [folha] – ET [O2]
(3)
Sendo,
ET [folha + O2] a energia total da folha dopada com O2, ET [folha] a energia total da folha
pristine (isolada), e ET [O2] a energia total de moléculas de O2 (isolada) .
15
As energias de ligação obtidas são mostradas na Tabela 1.
Tabela 1 - Energia de ligação das configurações investigadas. Os sítios, 1...,5 são mostrados
na Figura 4(c).
Sítios
1
2
3
4
5
Energia de ligação (eV)
-0,2
-0,6
-0,6
-0,5
-0,6
Os sítios 1, 2, 3, 4, 5, são mostrados na Figura 4 (c). Encontramos que a energia de ligação
mais estável é Eb = -0.6 eV correspondentes aos sítios 2, 3 e 5 (equivalentes). A Figura 5
mostra a configuração mais estável da molécula de O2 na nanofolha de SiC.
Figura 5 - Configuração mais estável para adsorção de moléculas de O2 em nanofolhas de
SiC.
Segundo Fenglei Cao e colaboradores [18], a adsorção de moléculas de O2 em nanotubos de
SiC é um processo exotérmico. Em nossos estudos, vimos que a adsorção de moléculas de O2
em nanofolhas de SiC também possui esta semelhança com os nanotubos, sendo um processo
exotérmico.
A Figura 6 mostra as estruturas de bandas da configuração pristine e da configuração mais
estável para a nanofolha de SiC .
.
16
(a)
(b)
Figura 6 - Estrutura de Bandas, da (a) folha limpa e (b) folha dopada com O2 (configuração
mais estável).
Analisando as propriedades estudadas até o momento vemos que a nanofolha limpa Figura
6(a), é semicondutora com um gap indireto de aproximadamente 1,68 eV . Quando dopamos a
folha limpa com O2 há uma diminuição consideravél no gap de energia , como vemos na
Figura 6(b), mas ela continua com as mesmas características da folha limpa, ou seja, o valor
da energia de gap (distância entre as bandas)é consideravelmente pequeno sendo que a última
banda de condução é preenchida e a última banda de valência é vazia.
Em seguida fizemos uma análise através da densidade de estados para vermos quais dos
elementos, Si, C ou O2, contribuíram para esta nova característica. A densidade de estados
está apresentada na Figura 7.
17
Figura 7 – Densidades de estados da configuração mais estável com moléculas de O2 em
nanofolhas de SiC.
Analisando a densidade de estados da nanofolha de SiC dopada com O2 notamos que o estado
desocupado acima do nível de Fermi tem grande contribuição dos átomos de Si, e uma
pequena contribuição dos átomos de C e O.
Posteriormente, realizamos o cálculo da densidade de carga para analisarmos se realmente
houve a ligação da molécula de O2. Como podemos ver na Figura 8 houve a interação da
molécula de O2 com a nanofolha de SiC, ou seja, estão ligadas.
Figura 8 - Densidade de Carga (0,1 e/
O2.
) na nanofolha de SiC dopada com moléculas de
4. 2 – ALTERANDO A CONCENTRAÇÃO DE MOLÉCULAS O2
Em seguida modificamos a concentração de O2 na nanofolha de SiC para assim vermos se
alterava estas respectivas propriedades. Na Figura 9 esta representado os diferentes tamanhos
das folhas estudadas.
18
Figura 9 - Representação dos diferentes tamanhos de nanofolhas de SiC estudadas.
Para estes próximos cálculos, partimos do ponto em que já sabemos como é o comportamento
da molécula de O2 na folha de SiC. Com isto, vimos que realmente elas ficam na posição em
que supomos, ou seja, a molécula de O2 fica ligada em um Carbono (C) e um Silício (Si) .
Para estas respectivas nanofolhas de SiC realizamos os cálculos de energia de
ligação(utilizando a Equação 3), cujos os resultados são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 - Energia de ligação, (em eV), das nanofolhas de SiC com diferentes concentrações
de O2 .
Nanofolhas de SiC Energia de ligação (eV)
2x2
-0,6
4x4
-0,6
5x5
-1,3
6x6
-1,4
Fazendo uma análise dos dados da Tabela 2, notamos que a nanofolhas 2x2 com uma
concentração de 12,5% de O2 possui a mesma energia de ligação da nanofolha 4x4. Quando
diminuímos a concentração de O2 (2%), vemos que é mais favorável acontecer a adsorção de
moléculas de O2, com uma energia de ligação -1.3 eV, o mesmo acontece com a nanofolha
6x6, onde esta tem uma concentração de O2 (1,2%).
Realizamos os cálculos das estruturas de bandas para os diferentes tamanhos das nanofolha de
SiC, como mostra a Figura 10.
19
(a)
(b)
(c)
Figura 10 - Estrutura de bandas da nanofolha (a) 2x2, (b) 5x5, (c)6x6 de SiC com moléculas
de O2.
As nanofolhas de SiC 2x2, 5x5, 6x6 tiveram uma diminuição nos seus respectivos gaps de
energia. Visto que a nanofolha 5x5 e 6x6 teve uma diminuição considerável em seu gap,
como vimos na nanofolha 4x4. Pela semelhança entre a nanofolha de SiC 5x5 e 6x6, fizemos
a densidade de estados para a nanofolha 5x5, como mostra a Figura 11.
Figura 11 - Densidade de Estados da nanofolha 5x5 de SiC com moléculas O2.
Analisando a densidade de estado obtida, vemos que o mesmo aconteceu quando diminuímos
a concentração de O2.Onde temos uma grande contribuição dos átomos de Si, e uma pequena
contribuição dos átomos de C e O.
20
5 CONCLUSÃO
Neste trabalho examinamos a interação de diferentess concentrações de moléculas de O2 em
nanofolhas de SiC e os efeitos que estas moléculas nas suas propriedades eletrônicas.
Observamos que o processo de adsorção de moléculas de O2 em nanofolhas de SiC é
exotérmico e deve ocorrer espontaneamente.
Notamos ainda que em nanofolhas de SiC com maiores concentrações de O2 ,o seu caráter
semicondutor não é modificado,embora haja uma diminuição no gap de energia e em
nanofolhas de SiC com menores concentrações de O2 há uma diminuição considerável no
gap de energia.
REFERÊNCIAS
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