CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Com a finalidade do desenvolvimento de novos nanodispositivos, hà um grande interesse em conhecer as propriedades eletrÃnicas de materias nanoestruturados. Sobretudo, como modificar as propriedades eletrÃnicas de nanoestruturas jà bem conhecidas de forma controlada. Com este objetivo, muitas metodologias e experimentos tem sido desenvolvidos. Neste trabalho, estudamos de forma inteiramente atomÃstica atravÃs de simulaÃÃo computacional as propriedades eletrÃnicas, Ãpticas e vibracionais de (a) pontos quÃnticos esferÃricos maciÃos e ocos de silÃcio, (b) nanoflocos de grafeno e (c) cristais de Ãcido Ãrico anidro, mono e dihidratado utilizando mÃtodos de DinÃmia Molecular, SemiempÃrico, DFTB+ e DFT, para tanto utilizamos o programa AMPAC e os mÃdulos do Materials Studio (Accelrys), o Forcite, CASTEP, Gulp e o Dmol3 que sÃo estados de arte em simulaÃÃes atomÃsticas. Do ponto de vista clÃssico utilizamos campos de forÃa Brenner, que permite a formaÃÃo e rompimento de ligaÃÃes covalentes; do ponto de vista quÃntico, utilizamos o mÃtodo do funcional da densidade e DFTB+ . No estudo dos pontos quÃnticos silÃcio obteve-se uma diminuiÃÃo do gap de energia em funÃÃo do aumento do raio para os pontos maciÃos, e comportamento contrÃrio para os pontos ocos, quando fixamos um ponto e variamos tÃo somente o raio do buraco. Para os nanoflocos de grafeno obteve-se por meio de DinÃmica Molecular a estabilidade das estruturas, averiguando que atà 1000K elas conservam sua forma plana; acima de 3400K as estruturas comeÃam a ter suas ligaÃÃes rompidas. Os gaps de energia HOMO-LUMO sÃo sensÃveis Ãs bordas. A anÃlise dos estados de spins revelou que somente os nanoflocos triangulares com borda zigzag possuem excesso de elÃtrons com spin alfa, dependente no entanto da simetria. Os modos de vibraÃÃo para estruturas com nC ~ 50 foram obtidas e observou-se que nanofloco retangular exibe bandas de abosorÃÃo em comum com nanoflocos zigzag em dois intervalos do espectro infravermelho. Finalmente para os cristais de Ãcido Ãrico, observou-se que os parÃmetros de rede para o cristal dihidratado sÃo menos coerentes com valores experiemntais. O gap do cristal de Ãcido Ãrico anidro e mono à direto (~ 3.18 eV e 3.16 eV, respectivamente) e do dihidratado à indireto (~ 2.89 eV). Os orbitais 2p sÃo os maiores contribuintes à densidade de estados. A Ãgua tem bastante influÃncia na banda de conduÃÃo do cristal dihidratado. Hà um comportamento anisotrÃpico quando do estudo das propriedades Ãpticas destes cristais ao longo de quatro direÃÃes de incidÃncia do campo elÃtrico, sendo a anisotropia mais acentuada para o dihidratado. As pesquisas realizadas enquadram-se na temÃtica de atuaÃÃo do Instituto de NanoBioEstruturas & SimulaÃÃoao NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], um dos Institutos Nacionais de CiÃncia e Tecnologia financiados pelo CNPq a partir do inÃcio de 2009, que visa desenvolver atividades de pesquisa e formaÃÃo de recursos humanos de alto nÃvel em nanobioestruturas e simulaÃÃo nanobiomolecular / There is a great interest in understanding the electronic properties of nano-structured materials aiming the development of new nano devices, especially how to modify the electronic properties of nano structures already known in a controlled manner. This work shows our studies, which were made in a pure atomistic way by computational simulation, on the electronic, optical and vibrational properties of (a) spherical quantum dots, silicon solid and hollow ones, (b) graphene nanoflakes and (c) crystals of uric acid, anhydrous, mono and dihydrate ones, using methods of Molecular Dynamics, Semiempirical, DFTB+ and DFT. We used the software called AMPAC and the modules of Materials Studio (Accelrys), the Forcite, CASTEP, Gulp and Dmol3 that are states of art in atomistic simulations. From the classical point of view we used Brenner force fields, which allow the formation and breaking of covalent bonds; and from the quantum dots of view, we used the method of density functional and DFTB+. In the study of silicon quantum dots, it was obtained a decrease of the energy gap due to the increase of the radius for massive dots, and contrary behavior to the hollow dots, when we fixed one point and varied only the radius of the hole. In relation to the graphene nanoflakes, it was obtained the stability of structures by the Dynamics Molecular, verifying that they keep their flattened form up to 1000 K; over 3400 K structures begin to have their links broken. The HOMO-LUMO energy gaps are sensitive to edges. Analysis of spin states revealed that only the triangular nanoflakes with zigzag edge have excess of electrons with alpha spin, however symmetry dependent. The modes of vibration for structures with nC ~ 50 were obtained and it was observed that rectangular nanoflake displays absorption bands in common with zigzag nanoflakes in two ranges of the infrared spectrum. Finally for the uric acid crystals, we observed that the lattice parameters for the dihydrate crystal are less consistent with experimental values. The gap of the crystal of uric acid, anhydrous and mono ones, is direct (~ 3.18 eV and 3.16 eV, respectively) and of the dihydrate is indirect (~ 2.89 eV). The 2p orbitals are the largest contributors to the density of states. Water has great influence in the conduction band of the dihydrate crystal. There is an anisotropic behavior in relation to the study of the optical properties of these crystals along four directions of incidence of the electric field, where the anisotropy is more accentuated to the dihydrate. The studies fit in the theme of the role of Instituto de NanoBioEstruturas & SimulaÃÃo NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], one of the National Institutes of Science and Technology funded by CNPq from the beginning of 2009, which aims to develop research activities and high-quality human resource training in nanobiostructures and nanobiomolecular simulation

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, propomos um uma pesquisa teÃrica onde estudamos as propriedades de um pulso eletrÃnico em uma camada de silÃcio poroso, injetado sob uma certa voltagem externa V. Desta forma, podemos definir fundamentalmente a forma das curvas T X V e R X V, onde T à o coeficiente de transmissÃo e R à o coeficiente de reflexÃo do pacote de onda atravÃs da regiÃo porosa. Aliado a estes dados, podemos fazer um cÃlculo simples e obter informaÃÃes a respeito da corrente elÃtrica que atravessa o material, utilizando o modelo I=Q/t, onde definimos o tempo como o intervalo necessÃrio para que o pulso seja consumido completamente, como proposto por Lebedev e colaboradores (1998). Utilizando a definiÃÃo para mobilidade de portadores de carga, obtivemos informaÃÃes sobre a mesma, pois este trabalho foca-se principalmente no estudo do transporte eletrÃnico neste tipo de material poroso, que apesar de um estudo intenso em silÃcio poroso desde o inÃcio da dÃcada de noventa, as propriedades de transporte ainda permanecem um pouco inexploradas. O principal incentivo para que estudemos este material à devido à grande possibilidade da criaÃÃo de dispositivos em opto-eletrÃnica tais como LEDs (Light Emissor Diode). Ao longo do desenvolvimento, empregamos tÃcnicas jà bem conhecidas para a modelagem de semicondutores, como a teoria da massa efetiva, por exemplo, associadas a tÃcnicas de modelagem computacional, como o emprego de condiÃÃes periÃdicas de contorno e condiÃÃes de contorno absorvente. Por se tratar de um sistema quÃntico, tudo parte da soluÃÃo da equaÃÃo de SchrÃdinger dependente do tempo, e para executar esta tarefa fizemos uso de um mÃtodo numÃrico conhecido como Split-Operator. Assim obtemos as soluÃÃes para a equaÃÃo. Inicialmente, os cÃlculos realizados neste trabalho foram baseados em uma massa efetiva isotrÃpica, a fim de otimizar os parÃmetros de cÃlculo, e sà em seguida foram feitos cÃlculos baseando-se em massa efetiva anisotrÃpica para os diversos vales do silÃcio poroso. Tudo isto nos leva a crer que este trabalho possui uma grande importÃncia no que diz respeito à contribuiÃÃo para o entendimento do transporte eletrÃnico em sistemas baseados em silÃcio poroso, de forma a manter por mais algum tempo a aplicaÃÃo deste tipo de material que foi tÃo revolucionÃrio no sÃculo XX. / We propose in this work a theoretical study, of the properties of a electronic pulse, injected under a external bias, on a porous silicon layer, so that we could define fundamentally the shape of T X V and R X V curves, where T is the transmission coefficient and R is the reflection coefficient of the wave packet, trough the porous region. With this, we could make a simple calculation and obtain information about the electrical current in this material, using the very simple model I=Q/t, where we defined the time of transmission, as the time interval necessary for the electronic pulse to be consumed completely. This kind of approach is already known in the literature, propose by Lebedev and co-workers (1998). Using the definition of charge carrier mobility, we obtained information about it, since the principal aim of this work is the electronic transport in this kind of material, that despite a strong research on porous silicon, since the beginning of the nineties, the transport properties still remains a relatively unexplored area. The major incentive for this study is due to the strong possibility of application of this material in new optoelectronic devices such as LEDs. Along the development of this dissertation, we applied well known techniques for the computational modelling such as effective mass theory, for example, associated with methods like the periodic boundary conditions, and the absorbing boundary conditions. Treating of a quantum system, we begin all the work solving the time dependent SchrÃedinger equation. To do this task, we have used the numerical method known as Split-Operator, in order to obtain the solutions for this equation. Initially, the calculations in this dissertation where based in an isotropic effective mass, in order to optimise the calculation parameters. After this, we made calculations using an anisotropic effective mass for the different valleys of silicon. All these things leads us to believe that this work have a great importance regarding the contribution to the understanding of transport in electronic systems based on porous silicon, to maintain for some time the applications of this kind of material that was so revolutionary in the twentieth.