Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais (estabilidade configuracional e vibracional), eletrônicas e ópticas de diamantóides diamondoids) puros e funcionalizados, em suas fases isolada e cristalina. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método Projector Augmented-Wave, implementado no código computacional VASP (Vienna ab initio simulation package), dentro do modelo de supercélula. Investigamos as propriedades de moléculas de adamantano e as respectivas modificações causadas pela sua funcionalização com átomos de boro e/ou nitrogênio, e dos radiais derivados do adamantil. Finalmente, investigamos a viabilidade de se usar essas moléculas funcionalizadas como blocos fundamentais para construir, através de um processo de auto-organização, cristais moleculares. As propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais das moléculas de adamantano e seus amino derivados foram investigadas usando o código computacional Gaussian, com a utilização do funcional híbrido B3LYP/6-31+G¤. Investigamos as propriedades estruturais e energéticas dos isômeros da amantadina e da rimantadina, onde os grupos amina e dimetilamina foram introduzidos em dois diferentes sítios da molécula de adamantano. Descobrimos que a distribuição de carga do orbital eletrônico mais alto ocupado está sempre associada com o par de elétrons do orbital lone pair do átomo de nitrogênio do radical, sendo este, portanto, o sítio mais reativo de qualquer dessas moléculas. Encontramos uma pequena diferença na energia total entre as formas isoméricas da amantadina e da rimantadina, que apontou para a possibilidade de se encontrar concentrações de diferentes isótopos nas amostras experimentais. A comparação dos espectros vibracionais teóricos e experimentais sugere, também, a presença de formas isoméricas da amantadina e da rimantadina nas amostras. A estabilidade dos cristais moleculares, formados por moléculas de adamantano funcionalizadas, foi quantificada pelo valor de suas energias de coesão, enquanto que sua rigidez pelo valor de seus bulk moduli. Encontramos que todos eles são bastante estáveis, com valores de energia de coesão no in-tervalo de 1 a 6 eV/ligação e do bulk modulus no intervalo de 20-40 GPa, que é consideravelmente menor do que em sólidos covalentes típicos, tais como o diamante e o nitreto de boro. No entanto, ainda é muito maior do que os valores, da ordem de 10 GPa, encontrados para outros cristais moleculares típicos, onde a interação intermolecular é fraca e do tipo dispersiva. Obtivemos que estes cristais moleculares apresentam gap de energia direto e largo, indicando potenciais aplicações em opto-eletrônica. Além disso, averiguamos que eles podem ser classificados como dielétricos de baixo-, podendo ser utilizados nas interconexões de nanodispositivos. / In this investigation, we studied the structural, electronic, and optical properties of pure and functionalized diamondoids in their isolated and crystalline phases. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the projector augmented-wave methods. All these elements were incorporated in the VASP computational package (Vienna ab initio simulation package), using a super-cell approach. We investigated the properties of the adamantane molecules and the respective modifications resulting from chemical functionalization with boron and/or nitrogen atoms and the adamantyl derived radicals. Finally, we investigated the viability of using such functionalized molecules as fundamental building blocks to build self-organized molecular crystals. The structural, electronic and vibrational properties of adamantane and its amino derived molecules were investigated by the Gaussian computational package, using the B3LYP/6-31+G¤ hybrid functional. We investigated the energetics and structural properties of the amantadine and rimantadine isomers, in which the amine and dimetilamine groups were introduced in different molecular sites of adamantane. We found that the charge distribution of the highest occupied orbital is always associated with the lone pair of the nitrogen site, being the most reactive one in those molecules. We found a small energy difference between the isomeric forms of amantadine and rimantadine, suggesting the possibility of finding concentrations of both isomers in experimental samples. The comparison of the theoretical and experimental vibrational spectra also suggested the presence of different isomers in samples. The rigidity of the molecular crystals, formed by functionalized adamantane molecules, could be determined by their bulk moduli while their stability by the cohesive energies. We found values in the 1-6 eV range for cohesion and in the 20-40 GPa range for the bulk modulus, which is considerably lower than in typical covalent solids, but it is considerably larger than values of typical molecular crystals, in the 10 GPa range. Those molecular crystals present large and direct electronic gaps, suggesting potential applications in opto-electronics. Additionally, those crystals could be classified as low-k dielectric, which could be used as fillings in interconections in nanodevices.

Estudos teóricos recentes afirmaram que cadeias longas de poliaceno exibem um estado fundamental ferromagnético e uma alternância de ligações simples-duplas considerável. O estudo de nanoestruturas com propriedades magnéticas tem se tornado relevante para campos como a eletrônica molecular ou a spintrônica. A principal desvantagem do poliaceno é sua instabilidade química, porque sua estrutura é altamente reativa. Os resultados experimentais indicam que atualmente só é possível fabricar oligômeros pequenos. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica de fitas de poliaceno sob o efeito da substituição de átomos de enxofre nas bordas. Buscamos com isso investigar a estabilidade química da fita sem a perda do estado ferromagnético intrínseco da estrutura pura. Os cálculos foram baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP. Na primeira etapa observamos o efeito da concentração e posição do enxofre dentro da estrutura em função do gap de energia. Grandes concentrações de enxofre mostraram que a estrutura sofre distorções geométricas severas provocando mudanças significativas no gap. Para as diversas configurações da dopagem foram testados vários tamanhos da célula unitária, proporcionando mais graus de liberdade para a relaxação do sistema. Na maioria dos casos a diferença da energia por célula unitária entre os estados magnéticos e não magnéticos foi pequena (da ordem da energia térmica para temperatura ambiente). Isso indica que qualquer configuração com uma diferença de energia dessa ordem pode ser facilmente induzida através de perturbações externas para que fique no estado magnético. O enxofre então pode ser um dopante viável dentro destas estruturas de carbono conservando as propriedades intrínsecas junto com a estabilidade. / Recent theoretical studies reported that long polyacene chains exhibit a ferromagnetic ground state and a considerable alternation between single and double bonds. The study of nanostructures with magnetic properties has become relevant in fields such as molecular electronics and spintronics. The main disadvantage of polyacene is the chemical instability because it\'s structure is highly reactive. Experimental results indicate that only small oligomers, up to heptacene, are stable. We study the electronic structure of polyacene chains substitutionally doped by sulfur. The aim of the present study is to investigate the do\\-ping by sulfur at the chain edges and it\'s influence on magnetic states. The calculations were based on the Density Functional Theory (DFT) with the hybrid functional B3LYP. Firstly, we adopted a small oligomer to study the effects of the position and concentration of sulfur on the structure and on the energy gap. Large concentrations of sulfur provoke severe geometric distortions causing significant changes on the energy gap. Multiple configurations of doping were tested by adopting large unit cells, which provide more degrees of freedom to the relaxation of the system. In most cases the difference of energy per unit cell between the magnetic and non-magnetic states was small (of the order of the thermal energy). This indicates that these systems can easily be excited by external disturbances to reach a magnetic state. Therefore sulfur could be a viable dopant on these carbon structures since the chemical stability is increased while retaining some of the desired electronic and magnetic properties.

Estudos teóricos recentes afirmaram que cadeias longas de poliaceno exibem um estado fundamental ferromagnético e uma alternância de ligações simples-duplas considerável. O estudo de nanoestruturas com propriedades magnéticas tem se tornado relevante para campos como a eletrônica molecular ou a spintrônica. A principal desvantagem do poliaceno é sua instabilidade química, porque sua estrutura é altamente reativa. Os resultados experimentais indicam que atualmente só é possível fabricar oligômeros pequenos. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica de fitas de poliaceno sob o efeito da substituição de átomos de enxofre nas bordas. Buscamos com isso investigar a estabilidade química da fita sem a perda do estado ferromagnético intrínseco da estrutura pura. Os cálculos foram baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP. Na primeira etapa observamos o efeito da concentração e posição do enxofre dentro da estrutura em função do gap de energia. Grandes concentrações de enxofre mostraram que a estrutura sofre distorções geométricas severas provocando mudanças significativas no gap. Para as diversas configurações da dopagem foram testados vários tamanhos da célula unitária, proporcionando mais graus de liberdade para a relaxação do sistema. Na maioria dos casos a diferença da energia por célula unitária entre os estados magnéticos e não magnéticos foi pequena (da ordem da energia térmica para temperatura ambiente). Isso indica que qualquer configuração com uma diferença de energia dessa ordem pode ser facilmente induzida através de perturbações externas para que fique no estado magnético. O enxofre então pode ser um dopante viável dentro destas estruturas de carbono conservando as propriedades intrínsecas junto com a estabilidade. / Recent theoretical studies reported that long polyacene chains exhibit a ferromagnetic ground state and a considerable alternation between single and double bonds. The study of nanostructures with magnetic properties has become relevant in fields such as molecular electronics and spintronics. The main disadvantage of polyacene is the chemical instability because it\'s structure is highly reactive. Experimental results indicate that only small oligomers, up to heptacene, are stable. We study the electronic structure of polyacene chains substitutionally doped by sulfur. The aim of the present study is to investigate the do\\-ping by sulfur at the chain edges and it\'s influence on magnetic states. The calculations were based on the Density Functional Theory (DFT) with the hybrid functional B3LYP. Firstly, we adopted a small oligomer to study the effects of the position and concentration of sulfur on the structure and on the energy gap. Large concentrations of sulfur provoke severe geometric distortions causing significant changes on the energy gap. Multiple configurations of doping were tested by adopting large unit cells, which provide more degrees of freedom to the relaxation of the system. In most cases the difference of energy per unit cell between the magnetic and non-magnetic states was small (of the order of the thermal energy). This indicates that these systems can easily be excited by external disturbances to reach a magnetic state. Therefore sulfur could be a viable dopant on these carbon structures since the chemical stability is increased while retaining some of the desired electronic and magnetic properties.

Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais (estabilidade configuracional e vibracional), eletrônicas e ópticas de diamantóides diamondoids) puros e funcionalizados, em suas fases isolada e cristalina. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método Projector Augmented-Wave, implementado no código computacional VASP (Vienna ab initio simulation package), dentro do modelo de supercélula. Investigamos as propriedades de moléculas de adamantano e as respectivas modificações causadas pela sua funcionalização com átomos de boro e/ou nitrogênio, e dos radiais derivados do adamantil. Finalmente, investigamos a viabilidade de se usar essas moléculas funcionalizadas como blocos fundamentais para construir, através de um processo de auto-organização, cristais moleculares. As propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais das moléculas de adamantano e seus amino derivados foram investigadas usando o código computacional Gaussian, com a utilização do funcional híbrido B3LYP/6-31+G¤. Investigamos as propriedades estruturais e energéticas dos isômeros da amantadina e da rimantadina, onde os grupos amina e dimetilamina foram introduzidos em dois diferentes sítios da molécula de adamantano. Descobrimos que a distribuição de carga do orbital eletrônico mais alto ocupado está sempre associada com o par de elétrons do orbital lone pair do átomo de nitrogênio do radical, sendo este, portanto, o sítio mais reativo de qualquer dessas moléculas. Encontramos uma pequena diferença na energia total entre as formas isoméricas da amantadina e da rimantadina, que apontou para a possibilidade de se encontrar concentrações de diferentes isótopos nas amostras experimentais. A comparação dos espectros vibracionais teóricos e experimentais sugere, também, a presença de formas isoméricas da amantadina e da rimantadina nas amostras. A estabilidade dos cristais moleculares, formados por moléculas de adamantano funcionalizadas, foi quantificada pelo valor de suas energias de coesão, enquanto que sua rigidez pelo valor de seus bulk moduli. Encontramos que todos eles são bastante estáveis, com valores de energia de coesão no in-tervalo de 1 a 6 eV/ligação e do bulk modulus no intervalo de 20-40 GPa, que é consideravelmente menor do que em sólidos covalentes típicos, tais como o diamante e o nitreto de boro. No entanto, ainda é muito maior do que os valores, da ordem de 10 GPa, encontrados para outros cristais moleculares típicos, onde a interação intermolecular é fraca e do tipo dispersiva. Obtivemos que estes cristais moleculares apresentam gap de energia direto e largo, indicando potenciais aplicações em opto-eletrônica. Além disso, averiguamos que eles podem ser classificados como dielétricos de baixo-, podendo ser utilizados nas interconexões de nanodispositivos. / In this investigation, we studied the structural, electronic, and optical properties of pure and functionalized diamondoids in their isolated and crystalline phases. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the projector augmented-wave methods. All these elements were incorporated in the VASP computational package (Vienna ab initio simulation package), using a super-cell approach. We investigated the properties of the adamantane molecules and the respective modifications resulting from chemical functionalization with boron and/or nitrogen atoms and the adamantyl derived radicals. Finally, we investigated the viability of using such functionalized molecules as fundamental building blocks to build self-organized molecular crystals. The structural, electronic and vibrational properties of adamantane and its amino derived molecules were investigated by the Gaussian computational package, using the B3LYP/6-31+G¤ hybrid functional. We investigated the energetics and structural properties of the amantadine and rimantadine isomers, in which the amine and dimetilamine groups were introduced in different molecular sites of adamantane. We found that the charge distribution of the highest occupied orbital is always associated with the lone pair of the nitrogen site, being the most reactive one in those molecules. We found a small energy difference between the isomeric forms of amantadine and rimantadine, suggesting the possibility of finding concentrations of both isomers in experimental samples. The comparison of the theoretical and experimental vibrational spectra also suggested the presence of different isomers in samples. The rigidity of the molecular crystals, formed by functionalized adamantane molecules, could be determined by their bulk moduli while their stability by the cohesive energies. We found values in the 1-6 eV range for cohesion and in the 20-40 GPa range for the bulk modulus, which is considerably lower than in typical covalent solids, but it is considerably larger than values of typical molecular crystals, in the 10 GPa range. Those molecular crystals present large and direct electronic gaps, suggesting potential applications in opto-electronics. Additionally, those crystals could be classified as low-k dielectric, which could be used as fillings in interconections in nanodevices.

Neste trabalho de mestrado apresentamos um estudo sobre a manifestação do efeito Rashba em isolantes topológicos na ausência de simetria de inversão estrutural. Os cálculos das propriedades atomísticas, energéticas e as estruturas eletrônicas são abordados através de métodos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade. E seus resultados foram utilizados para o desenvolvimento de hamiltoniana efetiva baseado no modelo de Zhang. Realizamos o estudo de dois sistemas: 1) Bi$_2$Se$_3$ com átomos de Sn depositados na superfície: Este sistema pode ser entendido através da manifestação do efeito Rashba sobre um isolante topológico dada a quebra de simetria de inversão estrutural. Para um sítio de deposição específico, os átomos de Sn causam uma reconstrução da superfície e um terceiro cone de Dirac é observado na estrutura eletrônica. Este terceiro cone é não localizado na superfície e pode ser entendido como a manifestação do efeito Rashba. 2) PbBiI: Reportado aqui como um novo isolante topológico 2D com efeito Rashba. Descobrimos este sistema por um estudo sistemático sobre uma família de materiais formados por átomos tipo IV, V, e VII, cuja estrutura cristalina é hexagonal e não centrossimétrica. Mostramos que o PbBiI possui: i) Estabilidade mecânica, ii) Spin-splitting Rashba de 60 meV, iii) um gap de energia não trivial de 0.14 eV, iv) retroespalhamento proibido entre os estados de borda e v) retroespalhamento proibido entre os estados do bulk no entorno do nível de Fermi. Estas propriedades fazem do PbBiI um candidato para construção de dispositivos de spintrônica que atenua a perda de energia. / In this work, were studied the Rashba effect in topological insulators without structural inversion symmetry. We performed a first principles study based on density functional theory to calculate the atomistic properties, formation energy and electronic structure. These results were used to development a effective Hamiltonian based on Zhang model. They were studied two systems: 1) Bi$_2$Se$_3$ with Sn atoms deposited on the surface: This system can be seen as the Rashba effect manifestation on a topological insulator due to the structural inversion symmetry breaking. For a specific deposition site, the Sn atoms cause a reconstruction of the surface and display a third Dirac cone in the electronic structure. This third cone is not located on the surface and can be understood as the giant Rashba effect manifestation. 2) We propose a new non-centrosymmetric honeycomb-lattice QSH insulator family formed by the IV, V, and VII elements. The system formed by Bi, Pb and I atoms is reported here as a new 2D topological insulator with Rashba effect. We show that this system has: i) Mechanical stability, ii) spin-splitting Rashba of 60 meV, iii) nontrivial energy gap of 0.14 eV, iv) backscattering forbidden for both edge and bulk conductivity channels in the nanoribbon band structure. These properties make PbBiI a good candidate to construct spintronic devices with less energy loss.

Neste trabalho de mestrado apresentamos um estudo sobre a manifestação do efeito Rashba em isolantes topológicos na ausência de simetria de inversão estrutural. Os cálculos das propriedades atomísticas, energéticas e as estruturas eletrônicas são abordados através de métodos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade. E seus resultados foram utilizados para o desenvolvimento de hamiltoniana efetiva baseado no modelo de Zhang. Realizamos o estudo de dois sistemas: 1) Bi$_2$Se$_3$ com átomos de Sn depositados na superfície: Este sistema pode ser entendido através da manifestação do efeito Rashba sobre um isolante topológico dada a quebra de simetria de inversão estrutural. Para um sítio de deposição específico, os átomos de Sn causam uma reconstrução da superfície e um terceiro cone de Dirac é observado na estrutura eletrônica. Este terceiro cone é não localizado na superfície e pode ser entendido como a manifestação do efeito Rashba. 2) PbBiI: Reportado aqui como um novo isolante topológico 2D com efeito Rashba. Descobrimos este sistema por um estudo sistemático sobre uma família de materiais formados por átomos tipo IV, V, e VII, cuja estrutura cristalina é hexagonal e não centrossimétrica. Mostramos que o PbBiI possui: i) Estabilidade mecânica, ii) Spin-splitting Rashba de 60 meV, iii) um gap de energia não trivial de 0.14 eV, iv) retroespalhamento proibido entre os estados de borda e v) retroespalhamento proibido entre os estados do bulk no entorno do nível de Fermi. Estas propriedades fazem do PbBiI um candidato para construção de dispositivos de spintrônica que atenua a perda de energia. / In this work, were studied the Rashba effect in topological insulators without structural inversion symmetry. We performed a first principles study based on density functional theory to calculate the atomistic properties, formation energy and electronic structure. These results were used to development a effective Hamiltonian based on Zhang model. They were studied two systems: 1) Bi$_2$Se$_3$ with Sn atoms deposited on the surface: This system can be seen as the Rashba effect manifestation on a topological insulator due to the structural inversion symmetry breaking. For a specific deposition site, the Sn atoms cause a reconstruction of the surface and display a third Dirac cone in the electronic structure. This third cone is not located on the surface and can be understood as the giant Rashba effect manifestation. 2) We propose a new non-centrosymmetric honeycomb-lattice QSH insulator family formed by the IV, V, and VII elements. The system formed by Bi, Pb and I atoms is reported here as a new 2D topological insulator with Rashba effect. We show that this system has: i) Mechanical stability, ii) spin-splitting Rashba of 60 meV, iii) nontrivial energy gap of 0.14 eV, iv) backscattering forbidden for both edge and bulk conductivity channels in the nanoribbon band structure. These properties make PbBiI a good candidate to construct spintronic devices with less energy loss.

Thin-film materials from μm thickness down to single-atomic-layered 2D materials play a central role in many novel electronic and optical applications. Coherent, nonlinear optical (NLO) μ-spectroscopy offers insight into the local thickness, stacking order, symmetry, or electronic and vibrational properties. Thin films and 2D materials are usually supported on multi-layered substrates leading to (multi-) reflections, interference, or phase jumps at interfaces during μ-spectroscopy, which all can make the interpretation of experiments particularly challenging. The disentanglement of the influence parameters can be achieved via rigorous theoretical analysis. In this work, we compare two self-developed modeling approaches, a semi-analytical and a fully vectorial model, to experiments carried out in thin-film geometry for two archetypal NLO processes, second-harmonic and third-harmonic generation. In particular, we demonstrate that thin-film interference and phase matching do heavily influence the signal strength. Furthermore, we work out key differences between three and four photon processes, such as the role of the Gouy-phase shift and the focal position. Last, we can show that a relatively simple semi-analytical model, despite its limitations, is able to accurately describe experiments at a significantly lower computational cost as compared to a full vectorial modeling. This study lays the groundwork for performing quantitative NLO μ-spectroscopy on thin films and 2D materials, as it identifies and quantifies the impact of the corresponding sample and setup parameters on the NLO signal, in order to distinguish them from genuine material properties.