FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Computer simulations within the Density Functional Theory (DFT) formalism were accomplished to find the structural, electronic and vibrational properties of aspartic acid (Asp) crystals in the L-anhydrous, L-monohydrated, and DL-anhydrous phases. Aspartic acid is a non-essential amino acid with a role in the fadigue resistance mechanism. It also works as an excitatory neurotransmitter in the brain, contributes to eliminate any excess of toxins from the cells and is capable to affect RNA synthesis. The computer codes CASTEP (for crystals) and GAUSSIAN (for molecules) were employed in the present study. For the aspartic acid crystals, LDA and GGA-PBE exchange-correlation functional were used in the simulations, the last one taking into account empirical corrections for dispersive forces (PBE+TS) following the scheme proposed by Tkatchenko and Scheffler. Molecular calculations were carried out using the Gaussian09 program with the hybrid exchange-correlation functional B3LYP and the 6-311+G(d,p) basis set. The molecules were simulated in the gaseous phase and solvated in water within the Polarizable Continuum Model (PCM). Crystalline (optimized unit cells) and molecular (smallest energy conformations) structures obtained from the calculations were compared with experimental results and other theoretical computations. For the L-Asp anhydrous crystal, the optical and vibrational infrared (IR) and Raman spectra were contrasted with experimental measurements, and its band structure suggests it is a semiconductor. For the monohydrated L-Asp crystal, an indirect gap 0,1 eV larger than the gap of the anhydrous crystal is caused due to the role of water in its electronic structure. The DL-Asp anhydrous crystal, on the other hand, exhibits a wide direct band gap, which suggests possible optoelectronic uses. Effective masses obtained for all crystals exhibit an anisotropy which must affect their electronic transport properties, with electric conduction more likely along a direction parallel to the molecular planes for the L-Asp anhydrous system. The analysis of the density of electronic states revealed the contributions per atom and per functional group to the valence and conduction band states. A nice agreement was found between the theoretical IR and Raman spectra and the experimental data for the L-Asp anhydrous crystal, allowing for an adequate interpretation of the normal modes involved in each spectral feature. / SimulaÃÃes computacionais no formalismo DFT (Density Functional Theory) foram realizadas para a determinaÃÃo das propriedades estruturais, eletrÃnicas e vibracionais de cristais de Ãcido aspÃrtico (Asp) nas formas cristalinas L-Asp anidro, L-Asp monohidratado e DL-Asp anidro. O Ãcido aspÃrtico à um aminoÃcido nÃo essencial com papel na fisiologia da resistÃncia fÃsica, atuando como neurotransmissor excitatÃrio no cÃrebro, contribuindo para a eliminaÃÃo do excesso de toxinas nas cÃlulas, alÃm de ser capaz de afetar a sÃntese de RNA. Os cÃdigos CASTEP (para cristais) e GAUSSIAN (para molÃculas) foram utilizados no presente estudo. Para os cristais de Ãcido aspÃrtico, os funcionais de troca e correlaÃÃo LDA e GGA-PBE foram empregados nas simulaÃÃes, este Ãltimo incluindo correÃÃes empÃricas para interaÃÃes dispersivas (PBE+TS) de acordo com o esquema de Tkatchenko e Scheffler. Os cÃlculos moleculares foram realizados utilizando o programa Gaussian09 com o funcional hibrido de troca e correlaÃÃo B3LYP e o conjunto de base 6-311+G(d,p). As molÃculas foram simuladas em fase gasosa e em meio aquoso (modelo de solvataÃÃo contÃnuo PCM). As estruturas cristalinas (cÃlulas unitÃrias otimizadas) e moleculares (conformaÃÃes de menor energia) obtidas nos cÃlculos foram comparadas com resultados experimentais e outros cÃlculos teÃricos. No caso do cristal L-Asp anidro, a absorÃÃo Ãptica e os espectros vibracionais IR e Raman tambÃm foram confrontados com medidas experimentais, e sua estrutura de bandas sugere um possÃvel carÃter semicondutor. No caso do cristal L-Asp monohidratado, um gap indireto 0,1 eV maior do que o do cristal anidro reflete o impacto da Ãgua sobre a estrutura eletrÃnica desse cristal. O cristal DL-Asp anidro, por outro lado, exibe um gap direto largo, o que sugere possÃveis usos em optoeletrÃnica. As massas efetivas obtidas para todos os cristais revelam uma anisotropia das propriedades de transporte eletrÃnico, sendo a conduÃÃo elÃtrica mais favorÃvel na direÃÃo paralela aos planos moleculares para o caso L-Asp anidro. A anÃlise da densidade de estados eletrÃnicos permitiu estabelecer a contribuiÃÃo por Ãtomo e por grupo funcional para os estados das bandas de valÃncia e conduÃÃo e um Ãtimo acordo foi obtido entre os espectros vibracionais IR e Raman teÃricos e experimentais do cristal L-Asp anidro, permitindo uma adequada interpretaÃÃo dos modos normais envolvidos em cada pico espectral.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-09-08T19:08:46Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Karina_Final_CD.pdf: 2797138 bytes, checksum: 5e86db88edfdb58a92aceb27cf908735 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-08T19:08:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Karina_Final_CD.pdf: 2797138 bytes, checksum: 5e86db88edfdb58a92aceb27cf908735 (MD5) Previous issue date: 2015-10-16 / A partir dos parâmetros eletrônicos obtidos com a Teoria do Funcional Densidade, realizamos um estudo Quantitativo da Relação Estrutura Atividade (QSAR) de derivados de cetonatiossemicarbazonas e de ácidos kójico e benzoico para analisar o potencial de inibição da melanogênese destes compostos. Utilizando técnicas computacionais em conjunção com uma Regressão linear múltipla, obtivemos uma expressão capaz de prever a concentração inibitória (IC50) destes compostos e dos demais aqui propostos. Para a previsão da IC50 foram utilizados os seguintes parâmetros eletrônicos e físico-químicos: afinidade eletrônica (EA), gap de energia (HHL), momento de dipolo (μ) e o logaritmo do coeficiente de partição [octanol/água](LogP). Para as cetonatiossemicarbazonas os descritores eletrônicos que proporcionaram uma boa correlação linear com a IC50 experimental foram: a carga atômica do nitrogênio N2 e a EA. Para as demais moléculas avaliadas nesta pesquisa, além desses parâmetros, foram incluídos o potencial de ionização (IP), a energia do atracamento molecular (G), eletronegatividade absoluta (), dureza (), maciez (S), logaritmo do coeficiente de solubilidade (LogS), volume molar (VM) e o coeficiente de Hansch (). Como resultado da QSAR, os descritores que proporcionaram a melhor correlação linear com a IC50 experimental foram: a HHL e o VM. Na análise QSAR dos derivados dos ácidos kójico e benzoico foi utilizado um conjunto de treinamento formado por dez moléculas e um grupo de teste constituído por duas moléculas para uma validação cruzada tipo boostrap. Os cálculos de G se restringiram a encontrar o valor da energia livre de interação dos derivados dos ácidos kójico e benzoico e da enzima tirosinase por meio da formação do complexo ligante-tirosinase. Os valores das energias de interação obtidos para as moléculas propostas se revelaram promissores, visto que apresentaram valores mais baixos do que o obtido para o complexo ácido kójico-tirosinase. Em todas as análises QSAR, os valores dos parâmetros estatísticos de validação, como coeficiente de correlação, desvio-padrão, teste de Fischer e do nível geral de confiabilidade do modelo, estão dentro do esperado para um bom modelo estatístico. Os modelos obtidos fornecem uma boa previsão das atividades biológicas investigadas neste trabalho apontam para novos compostos candidatos com potencial para inibição da melanogênese. / We have carried ant studies of QSAR using electronic structure derived parameters be the means of Density Functional Theory (DFT) calculations for derivatives of ketonethiosemicarbazones, kojic acid and benzoic acid. The aim was to evaluate the melanogenesis inhibiting potential of these compounds, by using this procedure and performing a Multiple Linear Regression we obtained an expression able to predict the inhibitory concentration (IC50) of the compounds studied here. In predicting the IC50 we used the electronic and physical-chemical parameters of electron affinity (EA), energy gap (HHL), dipole of moment (μ) and the [octanol/water] logarithm of the partition coefficient (LogP). For ketonethiosemicarbazones the electronic parameters that provide a good linear correlation with experimental IC50 are the atomic charge of nitrogen N2 and the EA. For the other molecules analyzed in this study, in addition to these parameters it is included ionization potential (IP), molecular docking of energy (G), absolute electronegativity (), hardness(), softness (S), partition coefficient of molar solubility (LogS), molar volume (VM) and Hansch coefficient (). We found that the parameters leading to the best linear correlation with experimental IC50 are the interaction energy and the molar volume. In the QSAR analysis of derivatives of the benzoic and kojic acids it is used a training group formed by ten molecules and a test group formed of two molecules to realize a bootstrap-type cross validation. The calculations of the molecular docking are restricted to values of free energy of derivatives of the benzoic and kojic acids and to the enzyme tyrosinase forming the tyrosinase-ligand complex. In all QSAR analysis, the statistical validation such as correlation coefficient, standard deviation, Fisher test and the model reliability are in that range expected for a good statistical model. As a conclusion, we show that our model gives a good prediction of the biological activities, which allow us to indicate new compounds with potential in inhibiting melanogenesis.

Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:30Z (GMT). No. of bitstreams: 2 IURI MEDEIROS JAURIS.pdf: 4071837 bytes, checksum: b9c544072425b0250b8e12d9d9d75d46 (MD5) IURI MEDEIROS JAURIS.pdf.jpg: 3247 bytes, checksum: ed81fc9566ff5a1c9f12acc57ec7b3a5 (MD5) Previous issue date: 2012-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Dyes are organic compounds used to color or bring shine to other substances, being widely used by the cosmetic industries, pulp, textiles, and many others. However, the complex aromatic structure of these compounds makes them highly stable. In addition, some types of dyes could be toxic to humans or even carcinogenic. Thus, treatment of effluent water contaminated with these dyes is mandatory. Fortunately some recent studies have reported the ability of Carbon Nanotubes (CNTs) to act as adsorbent material for treating aqueous effluents contaminated with dyes. Nevertheless, to the best of our knowledge, so far, none theoretical study focusing mainly in the interaction of CNTs and dyes is available. From this perspective, in this work we have used ab initio simulations based on the densityfunctional theory and implemented on the SIESTA code to evaluate the interaction of tree dyes (Acridine Orange, Alizarin Red S, Methylene blue) and the Anthracene molecule with the pristine (5,5), (8,0) Single Wall Carbon Nanotubes (SWCNTs). Also we have investigate the interaction of those molecules with the pristine (5,5), (8,0) 1-vacancy-SWCNTs. Moreover, to appraise the effects in dye-SWCNT interaction due to SWCNT diameter, we compared the configurations dyes-pristine SWCNTs (5,5); (8,0) with dyes-pristine SWCNTs (16,0); (25,0). Our results show that, in general, the main configurations exhibit an average binding energy around (0.75 eV ≈ 72.36 kJ / mol), characteristic of physical adsorption. This feature could facilitate the eliminations of these dyes after being adsorbed by SWCNTs, enabling the reuse of SWCNTs. Also, the SWCNTs with vacancy have binding energies lower than the CNTs without vacancy, except to the case of methylene blue-SWCNTs. Further, the dyes SWCNTs (5,5) present binding energy greater than dyes SWCNTs (8,0). In most, was not found significant change in molecular structure and electronic character of SWCNTs. Furthermore, dyes-pristine SWCNTs (5,5) and (8,0) present lower binding energy in comparison with dyes-pristine SWCNTs (16,0) and (25,0). / Corantes são compostos orgânicos utilizados para dar cor e/ou conferir brilho a outras substâncias, sendo amplamente empregados nas indústrias de cosméticos, celulose, têxteis, alimentos dentre outros. No entanto, o complexo aromático presente na estrutura destes compostos torna-os altamente estáveis. Além disso, alguns tipos de corantes podem ser tóxicos ou até mesmo carcinogênicos, assim, o tratamento de efluentes aquáticos contaminados por tais compostos é imprescindível. Para tanto, alguns estudos recentes têm relatado a capacidade dos nanotubos de carbono (NTCs) de atuarem como material adsorvente para o tratamento de efluentes aquosos contaminados com tais corantes. Todavia, até o momento, não foi reportado na literatura nenhum estudo teórico com enfoque principalmente na interação entre os nanotubos de carbono e os corantes. Desse modo, a partir desta perspectiva, para avaliar a interação dos corantes: laranja de acridina (LA), vermelho de alizarina S (VAS) e azul de metileno (AM), bem como a molécula de antraceno (AN), com os nanotubos de carbono de parede simples, NTCPS (5,5), (8,0), puros, fez-se uso de cálculos ab initio, baseados na teoria do funcional da densidade, e implementados pelo código SIESTA. Além disso, também se investigou a interação destes corantes com os NTCPS (5,5), (8,0) com uma vacância. Da mesma forma, estudou-se a interação dos NTCPS (16,0) e (25,0) com os corantes LA, VAS e AM, além da molécula de AM, a fim de avaliar a influência do diâmetro dos nanotubos de carbono na interação com tais corantes. Nossos resultados mostram que as configurações principais exibem energia de ligação média em torno de (0,75 eV ≈ 72,36 kJ / mol), características de processos de adsorção física. Energias dessa ordem podem facilitar a dessorção destes corantes, permitindo, assim, a reutilização dos NTCPS. Além disso, na interação corantes-NTCPS, para a maioria das configurações, os NTCPS com uma vacância apresentaram energias de ligação menores do que os NTCPS sem vacância, e os NTCPS (5,5) apresentaram energia de ligação maior do que para os NTCPS (8,0). Mais ainda, não foram encontradas alterações significativas na estrutura molecular e caráter eletrônico dos NTCPS (5,5) e (8,0). Por fim, ressalta-se que, para todas as configurações, a interação corante-NTCPS (8,0) apresentou energia de ligação menor do que a interação corante-NTCPS (16,0) e corante-NTCPS (25,0).

Submitted by MARCIA ROVADOSCHI (marciar@unifra.br) on 2018-08-17T19:58:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação_CristianMafraLedur.pdf: 6580375 bytes, checksum: be466f19cd474caaa7ecaa4004ef38ba (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T19:58:30Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação_CristianMafraLedur.pdf: 6580375 bytes, checksum: be466f19cd474caaa7ecaa4004ef38ba (MD5) Previous issue date: 2017-08-15 / The two-dimensional (2D) materials display many interesting properties, which are not found in bulk structure because the original electronic structure is substantially altered from its three-dimensional (3D) characteristics. Black and blue phosphorene are 2D materials which are attracting many fields interest because of their electronic and magnetic properties, making them possible materials for spintronics devices application. These nanomaterials display some characteristics that allow their use on sensors, thus, this work aims to evaluate the changes in black and blue phosphorenes’ electronic and magnetic properties, before and after the chemical groups functionalizations. We utilized the amide, amine, carboxyl and hydroxyl chemical groups because they are into many living organisms, directing the results for possible systems of molecules adsorption with chemical and/or biological interest application. First-principles calculations based on Density Functional Theory with the Local Density Approximation (LDA) were performed using the SIESTA code. Blue phosphorene systems show a higher structure disturbance level when functionalized, so as atoms displacement, when compared with black phosphorene respective systems. Its binding energy also presents higher values when compared to black phosphorene systems. Both configurations 1-2, show the more stable systems for carboxyl groups functionalized on black and blue phosphorenes, presenting a 2.34 and 2.72 eV binding energy, respectively. The configuration 1-2 take on this post because reestablish the systems' symmetry. The symmetry reestablishment effect occurs in every kind of chemical group. These results imply in a promising black and blue phosphorenes application in systems of molecules adsorption with chemical and/or biological interest. / Diversas estruturas bidimensionais (2D) vêm apresentando propriedades interessantes, pois as mesmas são substancialmente alteradas quando comparadas às suas formas tridimensionais (3D). As estruturas de fosforeno negro e azul são materiais 2D que atraíram o interesse de muitas áreas pelo fato de suas propriedades eletrônicas e magnéticas indicarem o seu possível uso em dispositivos spintrônicos. Esses nanomateriais possuem características que permitem sua utilização em sensores, desta forma, este trabalho visa avaliar as mudanças nas propriedades eletrônicas e estruturais dos fosforenos causadas pelas funcionalizações dos grupos químicos amida, amina, carboxila e hidroxila, os quais compõem grande parte das moléculas biológicas presentes em organismos vivos para possível aplicação em sistemas de adsorção de moléculas de interesse biológico. Para desenvolver este trabalho fez-se uso de simulação computacional com cálculos de primeiros princípios, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), e Aproximação Local da Densidade (LDA) implementada no código computacional SIESTA. Este estudo demonstra que a estrutura de fosforeno azul apresenta maiores perturbações estruturais, como a modificação da posição inicial dos átomos de fósforo, devido às funcionalizações dos grupos químicos, se comparado aos sistemas funcionalizados com o fosforeno negro. Outro fator que chama a atenção são os valores de energia de ligação, onde todos os sistemas de fosforeno azul apresentam módulos maiores neste parâmetro para as respectivas configurações de funcionalização de grupos químicos. Os sistemas mais estáveis de fosforeno negro e azul funcionalizados com dois grupos carboxílicos apresentaram 2,34 e 2,72 eV, respectivamente, para a energia de ligação. Estes sistemas apresentam maior estabilidade devido ao fato de que restabelecem a simetria do sistema, em comparação com as outras configurações. Efeitos semelhantes ocorrem para todos os grupos químicos funcionalizados. Estes resultados indicam uma promissora aplicação das estruturas de fosforeno negro e azul como sistemas de adsorção de moléculas de interesse químico e/ou biológico.

Submitted by MARCIA ROVADOSCHI (marciar@unifra.br) on 2018-08-20T12:17:09Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_IuriMedeirosJauris.pdf: 8625676 bytes, checksum: 6980ea50a786db7523d0559ac05b09bb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-20T12:17:09Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_IuriMedeirosJauris.pdf: 8625676 bytes, checksum: 6980ea50a786db7523d0559ac05b09bb (MD5) Previous issue date: 2016-11-21 / Various chemical pollutants and substances named endocrine disruptors compounds (EDCs) has become commonly detected in wastewater and even in drinking water in many countries. In contrast the adsorption technique has been considered by many researcher as a promising method to treatment and purification of wastewater, mainly due to its ease of operation, high efficiency and low cost. Meanwhile, carbon nanomaterials such as nanotubes, and graphene, have been reported in the literature as promising materials to adsorb and removing various types of contaminants from wastewater. From this perspective, the main goal of this study was the evaluation of the use of graphene, functionalized graphene and reduced graphene oxide (rGO), in the adsorption and removal of drugs in aqueous medium. The removal efficiency was measured using diclofenac sodium (DCL) and nimesulide (NIME) in aqueous solutions and analizing sorption equilibrium conditions as well as kinetics and adsorption isotherms in the rGO. At the same time, through ab initio calculations, computational simulations were carried out to better understand how the structural and electronic characteristics of the adsorbent material can influence the adsorption process. Thus, through the batch experiments, it was found that the rGO showed a good ability to successfully remove NIME and DCL drugs from aqueous solutions. The maximum percentage removal of DCL by rGO was 80.4% and 79.3% for the initial concentrations of 40 and 70 mg.L-1, respectively. The maximum sorption capacity for adsorption of the DCL drug at 25ºC was 59.67 mg.g-1. The maximum percentage removal of NIME by rGO was 92.2% and 82.9% for the initial concentrations of 40 and 70 mg.L-1, respectively. The thermogravimetric and FTIR spectroscopy analyzes revealed that DCL and NIME was successfully adsorbed by rGO. In addition, theoretical results showed that the interaction between DCL and NIME with pristine or functionalized graphene, occurs by physical adsorption, being maintained mainly due to π-π interactions and hydrogen bonding. The results provide valuable information for better understanding the behavior of physicochemical properties in the evaluated interactions. Based on these results, the ab initio calculations and the adsorption experiments point out that the graphene and functionalized graphene or rGO are promising materials for extracting DCL and NIME drugs from wastewater effluents. / A detecção de poluentes químicos diversos e substâncias conhecidas com interferentes endócrinos (IEs) em águas residuais e até mesmo na água potável, tem se tornado cada vez mais frequente em inúmeros países. Em contrapartida a técnica de adsorção, tem sido considerado por muitos pesquisadores como um método promissor de tratamento e purificação da água proveniente de efluentes, devido, principalmente, a sua facilidade de operação, alta eficiência e baixo custo. Paralelamente, os nanomateriais de carbono, tais como nanotubos e o grafeno vêm sendo reportados na literatura como materiais de grande capacidade para adsorção e remoção de diversos tipos de produtos químicos de águas residuais. Nesse sentido, o foco desse estudo foi a avaliação do uso do grafeno, grafeno funcionalizado e óxido de grafeno reduzido (rGO), na adsorção e remoção de fármacos em meio aquoso. A avaliaçao da eficiência de remoção foi conduzida empregando-se diclofenaco sódico (DCL) e a nimesulida (NIME) em soluções aquosas e avaliando-se as condições de equilíbrio de sorção e também cinética e isotermas de adsorção no rGO. Paralelamente, através de cálculos de primeiros princípios, foram realizadas simulações computacionais para melhor compreensão de como as características estruturais e eletrônicas do material adsorvente, podem influenciar no processo adsortivo. Assim, através dos experimentos em batelada, observou-se um percentual de remoção máximo do DCL pelo rGO de 80,4% e 79,3% para as concentrações iniciais de 40 e 70 mg.L-1. A capacidade máxima encontrada de adsorção do DCL pelo rGO a 25ºC foi de 59,67mg.g-1. O percentual de remoção máximo da NIME pelo rGO foi 92,2 % e 82,9% para as concentrações iniciais de 40 e 70 mg.L-1 . O pH foi fixo em 10,0 para todos os experimentos. As análises termogravimétricas para adsorção do DCL e NIME em rGO, e de espectroscopia FTIR para adsorção da NIME em rGO, revelaram que os fármacos foram adsorvidos com sucesso pelo rGO. Em adição os resultados teóricos mostraram que a interação do DCL e da NIME com o grafeno puro e os grafenos funcionalizados ocorreram através da adsorção física, sendo essa mantida em grande parte devido às interações do tipo π-π e ligações de hidrogênio. Os resultados obtidos fornecem subsídios para a melhor compreensão do comportamento das propriedades físico-químicas nas interações avaliadas. Baseado nesses resultados, os cálculos de primeiros princípios e os experimentos de adsorção revelaram que o grafeno puro, grafeno funcionalizado, ou rGO, são materiais promissores para remoção dos fármacos DCL e NIME de soluções aquosas.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work was performed a study based on density functional theory of the electronic and magnetic properties of the hexagonal multiferroic manganite HoMnO3. Were performed calculations with and without the inclusion of the spin-orbit interaction, using the full potential linearized augmented plane wave method. The exchange and correlation electronic effects were approximated via generalized gradient approximation (GGA) and the method "+ U" (or GGA + U). It is known that the magnetism in HoMnO3 is due to Mn 3d4- and Ho 4f10-states. In addition, exist a consensus that the magnetic order at Mn sub-lattice is non-collinear due to the triangular arranged of Mn magnetic moments () at a-b plane. In the case of Ho magnetic moments, the arrangement is collinear with parallel to c-axis. However, because of the complexity of crystalline symmetry and of the varieties of magnetic ions in the material, the literature has not yet reached a consensus on the magnetic ordering of them (antiferromagnetic-AFM, ferromagnetic-FM or a combination of the two), as well as the values. In this work, the main objectives were: (1) to determine the ground-state magnetic structure for Ho sub-lattice (2) to obtain the values of their respective , and (3) to describe the electronic structure of the compound. Considering the nine different magnetic structures simulated, four of them are shown with more details. These are the result of the combination of two possible configurations of spins collinear for the Mn (A type AFM, A-AFM, and G type, G-AFM) and two for the Ho (FM and AFM). It was observed that, among these, the lowest energy configuration is that for Mn is fixed according to the G – AFM type and the Ho in the A – AFM type. This result agrees with the prediction of experiments in respect of the order on the Ho sub-lattice, but the values of the magnetic moments did not agree. Was found that there is a close relationship between the simulated magnetic order and its electronic structure. In particular, the band gap for the magnetic orders less energetically favorable tends to leave the compound with metallic character which is not experimentally expected. The HoMnO3 is a semiconductor whose optical gap is about 1.7 eV. Using an U = 3.0 eV on 3d and 4f states of the Ho, we obtained an energy band gap of 1.29 eV. To analyze the electronic structure in more detail, was computed the total and partial states of compound, where it was possible to notice that the 4f states of Ho are localized predominantly at the top and bottom of conduction band which are hybridized with O’s 2p states. / Nesse trabalho foi realizado um estudo baseado na teoria do funcional da densidade das propriedades eletrônicas e magnéticas da manganita hexagonal multiferroica HoMnO3. Foram realizados cálculos com e sem a inclusão da interação spin-órbita utilizando o método full potential linearized augmented plane wave. Os efeitos de troca e correlação eletrônica foram aproximados via a generalized gradient approximation (GGA) e o método “+U” (ou GGA+U). É sabido que o magnetismo no HoMnO3 é devido aos estados 3d4 do Mn e 4f10 do Ho. Além disso, há consenso que a ordem magnética na sub-rede do Mn é não colinear devido aos momentos magnéticos () arranjados triangularmente no plano a-b do cristal. No caso dos dos átomos de Ho, o arranjo é colinear e com paralelos ao eixo c-cristalino. Porém, devido à complexidade da simetria cristalina e das variedades de íons magnéticos no material, a literatura ainda não chegou a um consenso quanto ao ordenamento magnético do estado fundamental deles (antiferromagnético – AFM, ferromagnético – FM ou uma combinação dos dois), bem como nas magnitudes dos . Neste trabalho, os principais objetivos foram: (1) avaliar a ordem magnética na sub-rede do Ho que corresponde ao estado fundamental magnético, (2) obter os valores dos respectivos atômicos e (3) descrever a estrutura eletrônica do composto. Das nove estruturas magnéticas diferentes que foram simuladas, quatro delas são apresentados com maiores detalhes. Essas são resultado da combinação de duas possíveis configurações de spins colineares para o Mn (AFM do tipo A, A-AFM, e do tipo G, G-AFM) e duas para o Ho (FM e A-AFM). Observou-se que, dentre essas, a configuração de menor energia é aquela onde o Mn está arranjado segundo o tipo G – AFM e o Ho no tipo A – AFM. Esse resultado concorda com a previsão de um dos experimentos no que diz respeito à ordem na sub-rede do Ho. Porém, os valores dos calculados para os átomos de Ho não concordaram. Verificou-se que existe uma estreita relação entre a ordem magnética simulada e a estrutura eletrônica. Em especial, o band gap para as ordens magnéticas menos favoráveis energeticamente tende a deixar o composto com caráter metálico o que não é esperado experimentalmente. O HoMnO3 em estudo é um semicondutor cuja energia de gap óptico é aproximadamente de 1,7 eV. Empregando um U = 3,0 eV nos estados 3d do Mn e 4f do Ho, obtém-se uma energia de band gap de 1,29 eV. Para avaliar a estrutura eletrônica mais detalhadamente, realizaram-se cálculos de densidade de estados total e parciais, onde foi possível notar que os estados 4f do Ho hibridizados com os 2p dos O’s predominam no top da banda de valência e fundo da banda de condução do material. / São Cristóvão, SE

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This dissertation presents a theoretical study, based on density functional theory (DFT), upon structural, electronic and optical properties of Bi4Ge3O12 (Bismuth germanate, BGO) and Bi4Si3O12 (Bismuth silicate, BSO) compounds. As a computational tool it was utilized Full Potential Linear Augmented Plane Wave Method (FPLAPW), implemented into WIEN2k computer code and considered as one of the most precise tools for electronic structure calculations of solid materials. Exchange and correlation e ects were simulated by LDA, GGA-PBEsol, BJ, mBJ-original, mBJ P-present and mBJ P-semiconductor functionals. Lattice parameters and all atomic positions within the BGO and BSO unit cells were computationally optimized in order to reach minimum energy con guration. The resulting structural parameters showed good agreement with experimental data. The results of electronic structure calculations (band structure and density of electron states DOS) were best tted to experiment while using the mBJ P-semiconductor functional. They revealed a nature and size of the compound's fundamental band gaps, as well as predominant orbital character of bands around it. According to the results, the BGO and BSO have indirect fundamental gaps of 5.05 and 5.36 eV in excellent concordance with the experimental value 5.0 eV (BGO) and 5.4 eV (BSO). For both compounds the valence band top is dominated by the O 2p-states, with non-negligible amount of the Bi 6s-states, while the conduction band bottom is consisted mostly of the Bi 6p-states. This work was also calculated dielectric function "(!) of the BGO and BSO, and its refractive index n(!) and re ectivity R(!). The best agreement with experimental data was again achieved by using mBJ P-semiconductor functional. The analysis "(!) enabled interpretation of optical absorption spectrum of BGO and BSO in terms of electronic transitions between bands. The results showed that the greater ow of energy transfer occurs 2p states to the states of Bi 6p, which consists of the steps of the scintillation process in BGO and BSO. Was concluded that experimental optical spectra of BGO and BSO exhibit strong temperature dependency, and that theoretical results presented in this dissertation describe con dently electronic and optical properties when measured at low temperatures. / Esta disserta c~ao apresenta um estudo te orico baseado no formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) sobre as propriedades estruturais, eletr^onicas e opticas dos compostos: Bi4Ge3O12 (Germanato de Bismuto, BGO) e Bi4Si3O12 (Silicato de Bismuto, BSO). Foi utilizado como m etodo de c alculo o \Full Potential Linear Augmented Plane Waves"(FPLAPW), implementado no c odigo WIEN2k, considerado um dos mais precisos m etodos para os c alculos de estruturas eletr^onicas dos s olidos cristalinos. Os efeitos de troca e correla c~ao eletr^onica foram simulados atrav es dos potenciais LDA, GGA-PBEsol, BJ, mBJ original, mBJ P-presente e mBJ P-semicondutores. Os par^ametros de rede e as posi c~oes at^omicas nas c elulas unit arias do BGO e BSO foram otimizadas, a m de atingir uma con gura c~ao de m nima energia possiv el. Os resultados obtidos para os par^ametros de rede e das posi c~oes at^omicas, de ambos os compostos, mostraram boa concord^ancia quando comparados com medidas experimentais. Os c alculos da estrutura eletr^onica (estrutura de bandas e densidade de estados eletr^onicos, DOS) exibiram melhor concord^ancia com a experi^encia quando o potencial mBJ P-semicondutor foi utilizado. Eles revelaram a natureza e o tamanho dos gaps fundamentais dos compostos, bem como o car ater orbital predominante por volta destes. De acordo com os resultados, o BGO e BSO possuem gaps fundamentais indiretos de 5.05 e 5.36 eV em excelente concord^ancia com os valores experimentais 5.0 eV (BGO) e 5.4 eV (BSO). O topo da banda de val^encia em ambos os compostos e dominada por estados 2p do O, com uma parcela n~ao desprez vel dos estados 6s do Bi, j a o fundo da banda de condu c~ao e formada por estados 6p do Bi. Neste trabalho tamb em foi calculada a fun c~ao diel etrica "(!) do BGO e BSO, bem como os seus ndices de refra c~ao n(!) e re etividade R(!). A melhor concord^ancia com os dados experimentais foi novamente atingida utilizando o funcional mBJ P-semicondutor. A an alise da "(!) possibilitou a interpreta c~ao do espectro de absor c~ao optica do BGO e BSO em termos das transi c~oes eletr^onicas entre as bandas. Os resultados revelaram que o uxo maior de tranfer^ encia de el etrons ocorre dos estados 2p de O para os estados 6p do Bi, o qual consiste uma das etapas do processo de cintila c~ao no BGO e BSO. Foi conclu do que os espectros opticos determinados experimentalmente exibem forte depend^encia com a temperatura, e que os resultados te oricos obtidos nessa disserta c~ao descrevem bem as propriedades opticas e eletr^onicas do BGO e BSO quando medidos em baixas temperaturas.

Nanotubos de carbono e polímeros condutores são fortes candidatos à miniaturização dos componentes eletrônicos disponíveis atualmente. Estudos teóricos afirmaram que 1/3 dos nanotubos seriam metálicos, enquanto que os outros seriam semicondutores, mas alguns grupos reportaram medidas experimentais evidenciando um pequeno gap eletrônico em tubos considerados metálicos. Protótipos de transístores compostos de nanotubos e moléculas orgânicas conjugadas foram propostos e foi observado que o recobrimento dos tubos por moléculas de pentaceno tornava os dispositivos menos suscetíveis à deposição de impurezas, o que diminuía a histerese na curva característica i x V, ao mesmo tempo que a formação de cristais de pentaceno era favorecida. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica dos nanotubos (5,5) e (9,0) través de DFT e observamos presença de um gap nesses sistemas, assim como uma deformação de suas estruturas de ligações químicas, evidenciando a distorção de Peierls. O efeito do termo de troca de Hartree-Fock introduzido no funcional B3LYP foi avaliado variando-se seu peso e observando as propriedades destes sistemas. Em uma segunda etapa, utilizamos mecânica molecular e dinâmica molecular clássica com o campo de forças CVFF 950 e observamos a formação de estruturas de pentaceno em volta dos tubos, evidenciando o favorecimento da formação de cristais do mesmo quando depositado sobre os nanotubos. / Carbon Nanotubes and conducting polymers are strong candidates for use in nanoscale electronic devices. Theoretical studies claimed that 1/3 of the nanotubes are metallic, while the others are semiconductors, but some groups have reported experimental measurements of a small electronic gap in tubes considered metallic. Prototype transistors made of nanotubes and organic conjugated molecules were proposed and it has been noticed that the coverage of the tubes by pentacene molecules made those trasistors less susceptible to impurity deposition, reducing the hysteresis in the characteristic I x V curve, while the formation of pentacene cristals was favored. In this work, we studied the electronic structure of the nanotubes (5,5) and (9,0) using DFT and noticed an electronic gap in those systems, as well as a deformation of their structures, similar to a Peierls distortion. The effect of the Hartree-Fock exchange included in the B3LYP functional was studied, as we varied its weight to obtain some properties of those systems. Later, we used molecular mechanics and classical molecular dynamics with the CVFF 950 force field and obtained structures compatible with pentacene crystals around the tubes, showing that the tubes in fact favor the formation of of these structures around them.

Made available in DSpace on 2016-08-18T18:19:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Welber de Jesus Mendes Lima.pdf: 8607012 bytes, checksum: e1e51a1203951dd30beafb4d273369b3 (MD5) Previous issue date: 2008-03-18 / FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA E AO DESENVOLVIMENTO CIENTIFICO E TECNOLÓGICO DO MARANHÃO / In this work, are studies the electronic and structural properties of the (8,0)@(13,0) e (6,0)@(13,0) double wall carbon nanotube of zig-zag type doped with atoms of the nitrogen and boron on the inner tube and outer tube. To studies these properties we used of the ab initio method employed of the density functional theory in the generalized gradient approximations. All simulations are make with the SIESTA code. Through of the results we observed that electronic properties, analysis via band structure, are changes with introduction of the impurity this systems. The results shown that nitrogen atom to act how a type-n doped and boron atoms act how a type-p doped. Through of the formation energy calculation we observed that (8,0)@(13,0) and (6,0)@(13,0) DWCNTs are energetic more favorable when is doped with nitrogen in inner tube and boron in outer tube. / Neste trabalho foram estudadas as propriedades eletr onicas e estruturais dos nanotubos de carbono de camada dupla (8,0)@(13,0) e (6,0)@(13,0) do tipo zig-zag dopados com os átomos de Nitrogênio e Boro tanto no tubo interno como no tubo externo. Para estudar tais propriedades, utilizamos o método ab initio com uso da teoria do funcional de densidade na aproximação do gradiente generalizado. Todas as simulações foram realizadas com a utilização do código siesta. Através dos resultados encontrados observamos que as propriedades eletrônicas, analisadas via estrutura de bandas, são afetadas com a introdução de impurezas neste sistema. Os resultados mostram que o átomo de Nitrogênio atua como um dopante tipo-n e o átomo de Boro atua como um dopante tipo-p. Através do cálculo de energia de formação observamos que os nanotubos de carbono de camada dupla (DWCNTs) (8,0)@(13,0) e (6,0)@(13,0) são energeticamente mais estáveis quando estes são dopados com Nitrogênio no tubo interno e com Boro no externo.

The study of transport in nano-structured devices and molecular junctions has become a topic of great interest with the recent call for quantum technologies. Most of our knowledge has been guided by experimental and theoretical studies of the single-electron transistor (SET), an elementary device constituted by a quantum dot coupled to two otherwise independent free electron gases. The SET is particularly interesting because its transport properties at low temperatures are governed by the Kondo effect. A methodological difficulty has nonetheless barred theoretical progress in describing accurately realistic devices. On the one hand, Density-Functional Theory (DFT), the most convenient tool to obtain the electronic structure of complex materials, yields only qualitatively descriptions of the low-temperature physical properties of quantum dot devices. On the other hand, a quantitative description of low-temperature transport properties of the SET, such that obtained through the solution of the Anderson model via exact methods, is nonetheless unable to account for realistic features of experimental devices, such as geometry, band structure and electron-electron interactions in the electron gases. DFT describes the electron gases very well, but proves inadequate to treat the electronic correlations introduced by the quantum dot. This thesis proposes a way out of this frustrating dilemma. Our contribution is founded on renormalization-group (RG) concepts. Specifically, we show that, under conditions of experimental interest, the high and low temperatures regimes of a SET corresponds to the weakly-coupling and strongly-coupling fixed points of the Anderson Hamiltonian. Based on an RG analysis, we argue that, at this low-temperature fixed point, the entanglement between impurity and gas-electron spins introduces non-local correlations that lie beyond the reach of local- or quasi-local-density approximations, hence rendering inadequate approximations for the exchange-correlation energy functional. By contrast, the weak-coupling fixed point is within the reach of local-density approximations. With a view to describing realistic properties of quantum dot devices, we therefore propose a hybrid self-consistent procedure that starts with the weak-coupling fixed point and takes advantage of a reliable numerical method to drive the Hamiltonian to the strong-coupling fixed point. Our approach employs traditional DFT to treat the weak-coupling system and the Numerical Renormalization-Group (NRG) method to obtain properties in the strongcoupling regime. As an illustration, we apply the procedure to a single-electron transistor modeled by a generalized one-dimensional Hubbard Hamiltonian. We analyze the thermal dependence of the conductance in the SET and discuss its behavior at low-temperatures, comparing our results with other self-consistent approaches and with experimental data. / O estudo de propriedades de transporte em dispositivos nano estruturados e junções moleculares tornou-se um tópico de grande interesse com a recente demanda por novas tecnologias quânticas. Grande parte do nosso conhecimento tem sido guiado por trabalhos experimentais e teóricos de um dispositivo conhecido como transístor de um elétron (SET), o qual é constituído por um ponto quântico acoplado a dois gases de elétrons independentes. O SET é particularmente interessante devido as suas propriedades de transporte a baixas temperaturas, as quais são governadas pelo efeito Kondo. Uma dificuldade metodológica, no entanto, tem barrado novos avanços teóricos para se obter uma descrição precisa de dispositivos realistas. Por um lado, a teoria do funcional da densidade (DFT), uma das ferramentas mais convenientes para calcular a estrutura eletrônica de materiais complexos, provê uma descrição apenas qualitativa das propriedades de transporte de transístores quânticos a baixas temperaturas. Por outro lado, uma descrição quantitativa satisfatória do SET a baixas temperaturas, tal como a modelagem e solução do modelo de Anderson via métodos exatos, é incapaz de levar em conta características realistas de dispositivos complexos, tal como geometria, estrutura de bandas e interações inter eletrônicas nos gases de elétrons. Embora a DFT os descreva bem, ela é inadequada para tratar correlações introduzidas pelo ponto quântico. Na presente tese propomos uma alternativa para este dilema. Nossa contribuição é fundamentada em conceitos de grupo de renormalização (RG). Especificamente, mostramos que, em condições de interesse experimental, os regimes de altas e baixas temperaturas em um SET correspondem aos pontos fixos de acoplamento fraco e forte do Hamiltoniano de Anderson. Baseando-nos em na análise do RG, mostramos que, no ponto fixo de baixas temperaturas, o emaranhamento entre a impureza e os spins dos gases eletrônicos introduz correlações não-locais que não podem ser descritas com abordagens DFT baseadas em aproximações locais ou quase locais para o potencial de troca e correlação. Em contraste, o ponto fixo de acoplamento fraco pode ser descrito por aproximações locais. Com o objetivo de obter uma descrição realista das propriedades de transístores quânticos, propomos um procedimento auto-consistente que começa do ponto fixo de acoplamento fraco e se aproveita de um método numérico eficiente para levar o Hamiltoniano para o ponto fixo de acoplamento forte. Nossa abordagem emprega DFT para tratar o sistema no limite de acoplamento fraco e o método de Grupo de Renormalização Numérico (NRG) para obter propriedades no regime de acoplamento forte. Como ilustração, aplicamos o procedimento para um transístor de um elétron modelado através do Hamiltoniano de Hubbard generalizado. Analisamos a dependência térmica da condutância no SET discutindo seu comportamento a baixas temperatura e comparamos nossos resultados com outras abordagens auto-consistentes e resultados experimentais.