Structural motifs for the BC2N superlattices were identified from a systematic search based on a greedy algorithm. Using a tree data structure, we have retrieved seven structural models for c-BC2N 1x1x lattice which were identified previously by Sun et al. [Phys. Rev. B 64, 094108 (2001)]. Furthermore, the atomic structures with the maximum number of C-C bonds for c-BC2N 2x2x2, 3x3x3, and 4x4x4 superlattices were found by imposing the greedy algorithm in the tree data structure. This new structural motif has not been previously proposed in the literature. A total of up to 512 atoms in the c-BC2N superlattice are taken into consideration. The atoms in these superlattices are in diamond-like structural form. Furthermore, the C atoms, as well as B and N atoms, form the octahedral motif separately. The octahedral structure consisting of C is bounded with {111} facets, and each facet is interfaced to a neighboring octahedral structure consisting of B and N atoms. The electronic and mechanical properties of newly identified low energy structures were analyzed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we perform a theoretical study about fluorine adsorption in BC2N nanostructures. The fluorine interaction with the BC2N nanostructures was studied using only atomic fluorine on two nanotubos with different chiralities (zigzag(5,0) and armchair(3,3)) and a monolayer. We used first principles calculations based on the density functional theory (DFT) taking account the effects of the spin polarization. For the exchange and correlation term, we use the generalized gradient approximation (GGA) and to describe the electron-ion interaction we use the pseudopotential approximation. The charge density is obtained solving the selfconsistent Kohn-Sham equations and to represent the Kohn-Sham wave functions a linear combination of atomic orbital is used. Our results show that when a single fluorine atom is adsorbed, the most stable configuration occurs when the fluorine atom is adsorbed on the boron atom (FB). The configurations with the fluorine adsorbed on carbon atom (FCI and FCII) are less stable than the FB configuration and the FN reaction is unstable. When the fluorine atom is adsorbed in BC2N nanostructure the local configuration is modified. It is observed that the atom bonded to the fluorine atom moves outward from the surface of the nanotubes and the monolayer. The electronic properties present similar characteristics in both nanotubes and also in the monolayer. The FCII configuration introduce acceptors properties in a BC2N nanostructures and the FCI configuration introduce donor properties. The fluorine adsorption in the most stable configuration gives rise to electronic levels in the band gap. When we investigated the BC2N monolayer with different fluorine coverage, the most stable configuration is obtained when the fluorine atoms are adsorbed on the boron atoms, forming a line. Defects levels are observed near to the top of the valence band and the system exhibit a p-type semiconductor character to low fluorine density and metallic character to the high fluorine density. We observe that the fluorine adsorption induces spin polarization effects in BC2N nanostructures leaving the system to present a spin magnetic moment. The absolute value of the spin magnetic moment depends on the density of fluorine adsorbed. / Nesse trabalho realizamos o estudo teórico da adsorção de flúor em nanoestruturas de BC2N. A interação de flúor com as nanoestruturas de BC2N foi estudada a partir da adsorção de flúor atômico em nanotubos de diferentes quiralidades, zigzag (5,0) e armchair (3,3), além da monocamada. Usamos cálculos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade (DFT), levando em consideração os efeitos de polarização de spin. Para o termo de troca e correlação, utilizamos a aproximação do gradiente generalizado (GGA) e para descrever a interação elétron-caro¸co utilizamos a aproximação do pseudopotencial. A densidade de carga é obtida resolvendo-se as equações de Kohn-Sham de maneira autoconsistente, com as funções de onda de Kohn-Sham expandidas em uma combinação linear de orbitais atômicos. Nossos resultados mostram que para a adsorção de um átomo de flúor, a configuração mais estável ocorre quando o átomo de flúor é adsorvido sobre o átomo de boro (FB). As configurações com adsorção de flúor em carbono (FCI e FCII) são menos favoráveis do que a adsorção ao FB, enquanto que a reação FN é instável. Quando o átomo de flúor é adsorvido nas nanoestruturas de BC2N a configuração local é modificada. Observa-se que o átomo ligado ao átomo de flúor desloca-se para fora da superfície dos nanotubos e em relação à monocamada temos um deslocamento deste átomo para fora da sua superfície. As propriedades eletrônicas apresentam características semelhantes em ambos os nanotubos e também para a monocamada. A configuração FCII faz com que as nanoestruturas de BC2N apresentem características aceitadoras e a configuração FCI faz com que essa estrutura apresente características doadoras. Para a adsorção de flóuor na configuração mais estável temos níveis rasos presentes na estrutura de bandas. Quando é feita a variação da densidade de flúor em uma monocamada de BC2N, a configuração mais estável é obtida quando os átomos de flúor são adsorvidos sobre átomos de boro formando uma linha, e na região do topo da banda de valência níveis de defeito podem ser observados. Em relação às propriedades eletrônicas é possível observar que em todas as estruturas ocorre uma perturbação no fundo da banda de condução. Na região do topo da banda de valência níveis de defeitos podem ser observados. Onde podemos obsevar que essas estruturas apresentam características de semicondutor do tipo-p para baixas densidades de flúor e metálicas para altas densidades. Temos que a adsorção de flúor provoca uma quebra de degenerescência de spin o que faz com que o sistema apresente um momento magnético de spin. O valor absoluto desse momento magn´etico de spin depende da densidade de flúor adsorvido.

Submitted by Vasti Diniz (vastijpa@hotmail.com) on 2017-09-11T13:33:18Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2568503 bytes, checksum: df847883585ac25cc1e993ba9c1fcd9f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T13:33:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2568503 bytes, checksum: df847883585ac25cc1e993ba9c1fcd9f (MD5) Previous issue date: 2017-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The opening a energy gap in graphene is probably one of the most important and urgent topics in its research currently, since most of the proposed applications for graphene in nanoelectronic devices require the ability to adjust its gap. In materials similar to graphene as BN and BC2N, the tuning of some properties is also indispensable so that they can be used as basic components of future nanoelectronic and spintronic. Graphene nanoribbons are strong candidates in this regard. All these systems have widely tunable properties and there are several theoretical and experimental methods which can be used for this purpose, one of them is to incorporate defects, since these defects have been obtained experimentally in these systems. In this context, using first-principles calculations, based on the density functional theory (DFT), we investigate alterations in the structural, electronic, energetic and magnetic properties due to the inclusion of different types of defects in monolayers and nanoribbons of graphene, BN and hybrid graphene-BC2N. As a result of the controlled inclusion of these defects, a series of new results were observed, as well as the tuning of the structural, electronic, energetic and magnetic properties in these systems. / A abertura de um gap de energia no grafeno é provavelmente um dos temas mais importantes e urgentes em sua pesquisa atualmente, uma vez que, a maioria das aplicações propostas para o grafeno em dispositivos nanoeletrônicos requer a capacidade de ajustar seu gap. Em materiais similares ao grafeno como BN e o BC2N o ajuste de algumas propriedades também é indispensável para que eles possam fazer parte como componentes ativos na nanoeletrônica e spintrônica no futuro. As nanofitas são fortes candidatas nesse sentido. Todos esses sistemas possuem propriedades bastante ajustáveis e existem vários métodos teóricos e experimentais que podem ser usados para este fim, um deles, é a inclusão de defeito, defeitos têm sido obtido experimentalmente nesses sistemas. Neste contexto, usando cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT), investigamos as mudanças provocadas nas propriedades eletrônicas, energéticas, estruturais e magnéticas devido à inclusão de vários tipos de defeitos em monocamadas e nanofitas de grafeno, BN e híbridas de grafeno-BC2N. Como resultado da inclusão controlada desses defeitos, observamos uma série de novos resultados, bem como o ajuste de várias propriedades para esses sistemas através da inclusão controlada de defeitos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Using first principles calculations based on the Density Functional Theory (DFT) with spin polarization and norm conserving fully separable pseudopotentials, we have studied the structural and electronic properties of the BC2N nanotubes and its interaction with oxygen atomic and molecular. The interaction with the atomic oxygen is investigated using substitutional and interstitial oxygen defects in type II BC2N nanotubes with two different chiralities: the armchair (3,3) and the zigzag (5,0). The interaction with the oxygen molecular is investigated by the adsorption of the O2 in the inner and outer surfaces of a type II armchair (3,3) BC2N nanotube. Our results show that the oxygen in the nitrogen site (ON) is the most favorable site for the substitutional oxygen defect and the electronic properties are similar for the two nanotubes, and shallow donor levels are observed. For the interstitial oxygen defects, the oxygen between the bond of boron and CI carbon (B-O-CI) is the most favorable site and electronic properties are only slightly modified compared with the pristine systems. For the interaction of oxygen molecular with a armchair (3,3) BC2N nanotube, the most stable configuration is obtained for the O2 molecule in the inner surface and perpendicular to the nanotube axis. This configuration is also more stable, considering the Van der Waals interactions between the nanotube and the O2 molecule in the calculation of binding energies. The electronic properties are not changed. We conclued that the interaction between the (3,3) nanotube and the O2 molecule is a phy-sical process, ruled by the Van der Waals interactions. / Utilizando cálculos de primeiros princípios fundamentados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com polarização de spin e pseudopotenciais de norma conservada, estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas de nanotubos de BC2N e a sua interação com oxigênio atômico e molecular. A interação com oxigênio atômico foi investigada através de defeitos de oxigênio substitucional e oxigênio intersticial em nanotubos de BC2N do tipo II com duas quiralidades diferentes: armchair (3,3) e zigzag (5,0). A interação com oxigênio molecular foi investigada através da adsorção de uma molécula de O2 na superfície interna e externa de um nanotubo de BC2N armchair (3,3) do tipo II. Nossos resultados mostram que o oxigênio no sítio do nitrogênio (ON) é o sítio mais favorável para o defeito de oxigênio substitucional e as propriedades eletrônicas apresentam características semelhantes para os dois nanotubos e níveis doadores rasos estão presentes. Para o defeito de oxigênio intersticial, o oxigênio entre a ligação de boro e de carbono CI (B-O-CI) é o sítio mais favorável e as propriedades eletrônicas apresentam poucas modificações em comparação com os sistemas pristina. Para a interação de oxigênio molecular com um nanotubo de BC2N armchair (3,3), a configuração mais estável é obtida para a molécula de O2 adsorvida internamente e perpendicularmente ao eixo do nanotubo (3,3). Esta configuração também é a mais estável, considerando as interações de Van der Waals entre o nanotubo e a molécula de O2 no cálculo das energias de ligação. As propriedades eletrônicas são pouco modificadas pela presença da molécula de O2, ou seja, apresentam dois níıveis de spin down no gap de energia que estão localizados na molécula de O2. Concluímos que a interação entre o nanotubo (3,3) e a molécula de O2 é uma interação física, tipo interação de Van der Waals.