Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2014-10-14T17:46:05Z No. of bitstreams: 1 2014_JorgeLuisHuamaniCorrea.pdf: 20726420 bytes, checksum: 750343fd3e2b899cfc4174ccc2d0b5bc (MD5) / Approved for entry into archive by Tania Milca Carvalho Malheiros(tania@bce.unb.br) on 2014-10-14T19:53:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_JorgeLuisHuamaniCorrea.pdf: 20726420 bytes, checksum: 750343fd3e2b899cfc4174ccc2d0b5bc (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-14T19:53:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_JorgeLuisHuamaniCorrea.pdf: 20726420 bytes, checksum: 750343fd3e2b899cfc4174ccc2d0b5bc (MD5) / Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático sobre as propriedades eletrônicas de dois novos materiais bidimensionais - Grafeno e Siliceno. Efeitos de interações spin-órbita (ISO), strain uniaxial e potencial elétrico sobre as estruturas eletrônicas de grafeno, siliceno e suas correspondentes nanofitas foram investigadas através de cálculos de tight-binding. Encontramos que o strain induz a mudanças nos pontos de Dirac e uma distorção da primeira zona de Brillouin. Como resultado, o strain possibilita o aparecimento de gaps nos pontos de Dirac K e K^' e modula a estrutura de banda do siliceno em outros pontos k da rede recíproca. A intensidade dos efeitos de strain dependem fortemente da direção de aplicação do strain. Em adição, potenciais do tipo staggered pode ser utilizado para controlar estados de spin polarizado. A combinação de efeitos de spin-órbita intrínseco e campos externos aplicados podem induzir uma transição de fase topológica na nanofita de siliceno. Também realizamos um estudo sobre o transporte eletrônico de nanofitas de siliceno pelo método das funções de Green e fórmula de Landauer-Bütikker. A densidade de estados e condutância calculadas mostram a existência de estados de borda de energia zero para nanofitas do tipo zigzag, que são consideravelmente afetados por efeitos de ISO. Nossos resultados demonstram a grande aplicabilidade dessas nanoestruturas em dispositivos baseados no grau de liberdade do spin do elétron, na denominada spintrônica. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / We have performed a systematic study on the electronic structures of novel two-dimensional materials – Graphene and Silicene. Effects of spin-orbit interactions (SOI), uniaxialstrain and staggered potential on electronic structures of graphene, silicene and their correspondent nanoribbons have been investigated by means of tight-binding calculation.We found that the strain induces shifts of Dirac points and a distortion of the first Brillionzone. As a result, an applied tensile strain opens gaps at Dirac points K and K0 andmodulates the band structure of silicene in other k-points. The magnitude of these straineffects depends strongly on direction of applied strain. In addition, staggered potentialcan be used to control both the band gap and the polarized spin-states. Furthermore,the combination of SOI and applied external fields may drive the silicene nanoribbonto a topological phase transition. On the other hand, we have also carried out study onthe electronic transport of silicene nanoribbons by using the Green’s function methodand Landauer-Büttiker formula. The density of states and conductance clearly show anexistence of the zero-energy edge states for zigzag nanoribbons, which are considerablyaffected by SOI. Our results demonstrate the feasibility of these nanostructures in devicesbased on the spin degree of freedom of the electron, in the so-called spintronics.

The main objective of this work is to research and obtain surface protected topological states in nano-ribbons created from the leaves of Germanene and Silicene. These sheets belong to the class of Topological Insulators and correspond to monolayers of germanium and silicon atoms in a hexagonal arrangement that is similar to the graphene sheet. For this investigation, we conducted a study of the electronic and structural properties of these sheets, as well as their respective nano-ribbons through first-principles calculations based on density functional theory (DFT). In this methodology we use the generalized gradient approximation (GGA) for estimating the exchange and correlation term, and the PAW method for the effective potential and the expansion of plane waves of the Kohn-Sham. We conducted a computer simulation with the aid of the package VASP (Vienna ab-initio Simulation Package). As a starting point for our research, we used the methodology of solid state physics in order to describe the crystalline structure of the leaves as well as their mutual space. Subsequently we analyze the band structure, from which many of its properties can be visualized. For this task, we initially proceeded to investigate the stability of these systems via total energy calculations, in turn obtaining the network parameters that minimizes the energy of the system. We also obtained the energy cutoff, ECUT used in our calculations, or in other words, determining the number of plane waves needed to expand the electronic wave functions on the DFT formalism. We continued our study, with the creation and analysis of two different configurations of nano-ribbons, one that corresponds to a straightforward cut of the sheet with the armchair termination pattern, and the other based on a reconstruction of those edges, which provide an energetically more stable system. Subsequently we obtained electronic structures, and conducted a study of its variation due to the change of the width of the nano-ribbon and ionic relaxation of its edges. In a way, we modified the above parameters in order to obtain a system that would give us a zero gap, or at least insignificant, as well as a specific configuration for the spin texture, in order to verify the evidence of surface protected topological states in these nano-ribbons. / O objetivo principal deste trabalho é a investigação e obtenção dos estados topologicamente protegidos de superfície em nano-fitas criadas a partir das folhas de Germaneno e Siliceno. Estas folhas pertencem a classe dos Isolantes Topológicos e correspondem a monocamadas de átomos de Germânio e Silício, em um arranjo hexagonal que se assemelha a folha do Grafeno. Para esta investigação, realizamos um estudo das propriedades eletrônicas e estruturais destas folhas, bem como de suas respectivas nano-fitas, através de cálculos de primeiros princípios fundamentados na teoria do funcional da densidade (DFT). Nesta metodologia utilizamos a aproximação do gradiente generalizado (GGA) para a estimativa do termo de troca e correlação, e o método PAW para o potencial efetivo e a expansão em ondas planas dos orbitais de Kohn-Sham. Realizamos a simulação computacional com o auxílio do pacote VASP (Vienna ab-initio Simulation Package). Como ponto de partida para nossa pesquisa, utilizamos a metodologia da física do estado sólido com o intuito de descrever a estrutura cristalina das folhas, bem como seu espaço recíproco. Posteriormente analisamos as estruturas de bandas, a partir das quais muitas de suas propriedades podem ser visualizadas. Para esta tarefa, inicialmente procedemos à investigação da estabilidade destes sistemas via cálculos de energia total, obtendo o parâmetro de rede a que minimiza a energia do sistema. Obtivemos também a energia de corte ECUT utilizada em nossos cálculos, ou em outras palavras, a determinação do número de ondas planas necessárias para expandir as funções de onda eletrônicas no formalismo da DFT. Prosseguimos nosso estudo, com a criação e análise de duas distintas configurações de nano-fitas, uma que corresponde a um corte simples e direto da folha com terminação no padrão armchair, e a outra baseada em uma reconstrução destas bordas, que acaba por fornecer um sistema mais estável energeticamente. Posteriormente obtivemos as estruturas eletrônicas, e realizamos um estudo de sua variação em função da alteração da largura da nano-fita e a relaxação iônica de suas bordas. De certa maneira, modificamos os parâmetros acima, de forma a obter um sistema que nos fornecesse um gap nulo, ou pelo menos desprezível, bem como uma determinada configuração para a textura de spin, de modo a verificarmos a evidência de uma proteção topológica nos estados de superfície nestas nano-fitas. / Mestre em Física