O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2019-03-14T19:25:14Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Renan Augusto Pontes Ribeiro.pdf: 9570923 bytes, checksum: a291ba63c045a11cb0a642a480367e27 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-14T19:25:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Renan Augusto Pontes Ribeiro.pdf: 9570923 bytes, checksum: a291ba63c045a11cb0a642a480367e27 (MD5) Previous issue date: 2019-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O desenvolvimento da spintrônica tem motivado a busca por novos materiais multiferróicos devido à multifuncionalidade desses compostos associada ao acoplamento entre diferentes ordens ferróicas em uma estrutura cristalina. No presente estudo, propomos a investigação teórica, baseada na Teoria do Funcional de Densidade, dos materiais ATiO3 (A = Mn, Fe, Ni) na estrutura R3c com objetivo de esclarecer o efeito da substituição do cátion A sobre as propriedades estruturais, magnéticas e eletrônicas, bem como descrever diferentes mecanismos de controle das propriedades multiferróicas baseados em arquiteturas de filmes-finos, morfologia e controle de defeitos intrínsecos. Para uma maior compreensão dos efeitos envolvidos nos materiais ATiO3, diferentes funcionais de troca e correlação foram investigados e o funcional PBE0 apresentou os menores desvios, consequentemente, a melhor representação comparado aos resultados experimentais. Com objetivo de investigar as propriedades conectadas a filmes-finos dos materiais ATiO3, propomos uma metodologia inovadora que permite descrever as deformações uni- e biaxial que se originam na região de interface entre o filme e o substrato. Nesse caso, os resultados obtidos indicam que as distorções estruturais induzem uma transição magnética para o NiTiO3, originando ordenamento ferromagnético a partir de um critério magneto-estrutural associado a deformação dos clusters [MO6] que reproduz satisfatoriamente os resultados experimentais reportados na literatura. De modo análogo, para elucidar a relação entre o magnetismo e a morfologia dos materiais ATiO3, combinamos cálculos de Energia de Superfície, Construção de Wulff e um formalismo avançado para descrever o magnetismo superficial considerando a existência de spins não compensados ao longo dos planos polares (100), (001), (101), (012), (111) e apolares (110). Os resultados indicam que a redução do número de coordenação dos metais A e Ti para os planos (001) e (111) resulta na transferência de carga entre os cátions A2+ e Ti4+, originando espécies Ti3+ magnéticas que aumentam o magnetismo superficial ao longo desses planos. Além disso, esse efeito é capaz de induzir uma alteração do caráter eletrônico para esses materiais, permitindo indicar que a clivagem das superfícies contribui para o controle das propriedades eletrônicas, reduzindo o valor de band-gap ou gerando comportamento meio-metálico. Os mapas morfológicos obtidos indicam que o controle da exposição majoritária do plano (001) para obtenção de discos hexagonais induz um aumento do magnetismo superficial para os materiais ATiO3 em acordo com resultados experimentais, além de predizer diferentes morfologias acessíveis com interessantes propriedades magnéticas. Ademais, o efeito de defeitos intrínsecos como vacâncias de oxigênio no bulk e superfície apolar (110) dos materiais ATiO3 foi investigado indicando que a redução do número de coordenação na região do defeito induz que os elétrons remanescentes sejam localizados, principalmente, nos orbitais 3d vazios dos cátions Ti vizinhos, gerando espécies [TiO5]ꞌ e [TiO4]ꞌ (3d1 ) que possibilitam uma interação ferromagnética nos materiais MnTiO3 e FeTiO3. A combinação entre os diferentes mecanismos investigados permitiu estabelecer um guia científico para o estudo teórico de materiais multiferróicos, contribuindo para descrever as potencialidades dos diferentes materiais bem como predizer novos candidatos. / The development of spintronic has motivated the search for new multiferroic materials due to the multifunctionality of these materials that are associated with the coupling of different ferroic orders into a single crystalline structure. In the present study, we propose a theoretical investigation, based on Density Functional Theory, of ATiO3 (A = Mn, Fe, Ni) materials in the R3c structure in order to clarify the effect of A-site cation replacement on the structural, magnetic and electronic properties, as well as to describe a different mechanism to control the multiferroic properties based on thin-film architectures, morphology and point defects. For a more comprehensive overview of the main effects involved on the ATiO3 materials several exchange-correlation functionals were investigated, being the PBE0 the functional with smallest deviations and, consequently, the best representation in comparison to the experimental results. Aiming to describe the main fingerprints related with the creation of ATiO3 thin-films, we propose an innovative methodology that allows to describe the uniaxial and biaxial deformations originated in the interface region between the film and the substrate. In this case, the results indicate that structural distortions induce a magnetic transition for the NiTiO3, originating ferromagnetic ordering from magneto-structural criteria, which is associated to the deformation of the [MO6] clusters that reproduces satisfactorily the experimental results reported in the literature. Similarly, in order to elucidate the relationship between the magnetism and the morphology of the ATiO3 materials, we combined Surface Energy, Wulff Construction, and an advanced formalism to describe surface magnetism by considering the existence of uncompensated spins along the polar planes (100), (001), (101), (012), (111) and non-polar (110). The results indicate that the reduction of the coordination for both A and Ti metals along the (001) and (111) planes induces a charge transfer between the A 2+ and Ti4+ cations, resulting in magnetic Ti3+ species that increase the superficial magnetism along such planes. Moreover, this effect allowed a change in the electronic structure for these materials, allowing to point out that the cleavage of the surfaces contribute to the control of the electronic properties reducing the band-gap value or generating half-metallic behavior. The morphological maps indicated that the control of the major exposure for the (001) surface to obtain hexagonal discsinduces an increase of the superficial magnetism for the ATiO3 materials according to experimental results, besides predicting different accessible morphologies with interesting magnetic properties. In addition, the effect of intrinsic defects such as oxygen vacancies on the bulk and non-polar (110) surface of the ATiO3 materials were investigated, indicating that the reduction of coordination in the defect region induces the localization of the remaining electrons in the empty 3d orbitals of neighboring Ti cations, generating [TiO5]'and [TiO4]' (3d1 ) species that allow a ferromagnetic interaction for MnTiO3 and FeTiO3 materials. The combination of the different mechanisms investigated has allowed to stablish a scientific guide for the theoretical study of multiferroic materials, contributing to describe the potentialities of the different materials as well as to predict new candidates.