Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-25T16:01:47Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_PropriedadesMagneticasNanoestruturasAdsorvidas.pdf: 4801609 bytes, checksum: 6603a1be0844e60b119974d5b3017c11 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-17T12:47:03Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_PropriedadesMagneticasNanoestruturasAdsorvidas.pdf: 4801609 bytes, checksum: 6603a1be0844e60b119974d5b3017c11 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-17T12:47:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_PropriedadesMagneticasNanoestruturasAdsorvidas.pdf: 4801609 bytes, checksum: 6603a1be0844e60b119974d5b3017c11 (MD5) Previous issue date: 2011 / CVRD - Companhia Vale do Rio Doce / FAPESPA - Fundação Amazônia de Amparo a Estudos e Pesquisas / Neste trabalho, utilizamos o método de primeiros princípios RS-LMTO-ASA (Real Space – Linear Muffin-Tin Orbital - Atomic Sphere Approximation) baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT - Density Functional Theory) e implementado para o cálculo de estruturas magnéticas não-colineares, para investigar as propriedades magnéticas de nanoestruturas adsorvidas em superfícies metálicas. Consideramos aglomerados com diferentes geometrias e tamanhos como adátomos, dímeros, trímeros, nanofios e nanoestruturas de geometria triangular de Fe, Fe-Co e Fe-Pt adsorvidos sobre a superfície de Pt(111) e tratamos também nanoestruturas de Mn sobre a superfície de Ag(111). Mostramos que os nanofios de Fe-Co sobre a superfície de Pt(111) apresentam um ordenamento ferromagnético. Devido à redução do número de coordenação presente na superfície, os momentos de spin e orbital nos sítios de Fe e Co mostram-se elevados comparados com os respectivos valores dos momentos destes metais como bulk. Analisamos também como estes momentos variam em função da concentração destes elementos nos nanofios. Para os sistemas compostos por nanofios Fe-Pt adsorvidos em Pt(111), mostramos que é possível sintonizar as interações de troca entre os adátomos magnéticos Fe através da introdução de um diferente número de átomos Pt para ligá-los. Por exemplo, a interação de troca entre os adátomos de Fe pode ser consideravelmente aumentada pela introdução de cadeias de Pt que os conectem e tanto configurações ferromagnéticas, antiferromagnéticas ou não-colineares entre os adátomos de Fe podem ser estabilizadas, dependendo da espessura do espaçador Pt. Para os aglomerados Mn sobre a Ag(111) mostramos que a interação de troca entre os sítios de Mn depende não somente da distância entre os átomos, mas também do número de coordenação de cada sítio. Desta forma, verificamos um magnetismo não-colinear nestas nanoestruturas causado tanto por frustração geométrica, quanto pela competição de interações de curto e longo alcance. Nossos resultados estão em boa concordância com os resultados experimentais da literatura e com os resultados teóricos obtidos por outros métodos, quando existentes. / We use the first principles RS-LMTO-ASA (Real Space - Linear Muffin-Tin Orbital - Atomic Sphere Approximation) method, based on the Density Functional Theory and implemented to calculate noncollinear magnetic structures, to investigate the magnetic properties of nanostructures adsorbed on metallic surfaces. We have considered different geometries and sizes such as adatoms, dimers, trimers, nanowires, and nanostructures with triangular geometry of Fe, Fe-Co and Fe-Pt on Pt(111), as well as Mn nanostructures on Ag(111) surface. The Fe-Co nanowires adsorbed on Pt(111) are found to order ferromagnetically regardless of the nanowire size. We find enhanced spin and orbital moments at Fe and Co sites compared to what is found in bulk, which is attributed to the reduced coordination number presented at the surface. We also analyzed how these moments vary as a function of the concentration of these elements at the nanowires. For systems composed by Fe-Pt nanowires adsorbed on Pt(111), our results show that it is possible to tune the exchange interaction between magnetic adatoms (Fe) by introducing a different number of Pt atoms to link them. For instance, the exchange interaction between Fe adatoms can be considerably increased by introducing Pt chains to link them. Moreover, either a ferromagnetic or an antiferromagnetic configuration between magnetic adatoms (Fe) can be stabilized depending on the Pt spacer thickness. Furthermore, even a non-collinear magnetic ordering can be obtained tuned by Pt-mediated atoms. For Mn clusters on Ag(111), the exchange interactions between Mn sites depend not only on the distance between the atoms, but also on the coordination number of each site. Therefore, the non-collinear ordering in these nanostructures is caused not only if antiferromagnetism is frustrated by the cluster geometry, but also by the competition between short and long range exchange interactions. The results obtained are in general in good agreement with experiment and other calculations, when available in the literature.

A condutância de fios quânticos definidos em uma geometria de \"split gate\" varia em platôs quantizados de 2e2/h em relação à ocupação dos seus modos transversais [van Wees et al. Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988) & Wharam et al. J. Phys. C: solid state phys. 21, L209 (1988)]. Em gráficos da condutância esta ocupação é dada pelo potencial aplicado aos eletrodos que formam o fio. Em 1996 observou-se experimentalmente nestes gráficos [Thomas et al. Phys. Rev. Lett. 77, 135 (1996)] que quando apenas um modo transversal é ocupado a condutância exibe um platô anômalo adicional em 0.7X2e2/h. Desde então, a origem desta anomalia 0.7 é associada a fenômenos dependentes de spin, porém sua descrição teórica permanece como importante objeto de pesquisa. Recentemente, observou-se que na presença de altos campos magnéticos, cruzamentos de modos transversais de spins opostos também geram estruturas anômalas no gráfico da condutância [Graham etal. Phys. Rev. Lett. 91, 136404 (2003)]. Os análogos 0.7, assim chamados devido à semelhança com a anomalia 0.7, são usualmente relacionados ou como anti-crossings ou como transições de fase magnética. Motivado pela concordância quantitativa com experimentos de um trabalho anterior em magnetotransporte em 2DEGs e transições de fase de ferromagnetismo de efeito Hall quântico via teoria do funcional da densidade dependente de spin (SDFT) [Freire e Egues, Phys. Rev. Lett. 99, 026801 (2007) & Ferreira et al. Phys. Stat. Sol. (c) 3, 4364 (2006)], propomos aqui um modelo similar para estudar na magnetocondutância de fios quânticos. Utilizamos (i) a SDFT resolvendo as equações de Kohn-Sham autoconsistentemente dentro da aproximação de densidade local de spin para obter a estrutura eletrônica do fio quântico e (ii) o formalismo de Landauer-Büttiker para calcular a condutância do fio no regime de resposta linear. Em nosso modelo, a anomalia e os análogos 0.7 aparecem devido a transições ferromagnéticas que rearranjam de forma abrupta os modos transversais do fio quântico próximos ao nível de Fermi. Nossos resultados teóricos apresentam boa concordância com os dados de Graham et al. / At low temperatures the conductance of a quantum wires exhibits plateaus at integer multiples of 2e2/h due to the quantization of the transverse modes [van Wees et al. Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988) & Wharam et al. J. Phys. C: solid state phys. 21, L209 (1988)]. This conductance behavior is understood within an independent particles model. In 1996 Thomas et al.[Phys. Rev. Lett. 77, 135 (1996)] showed experimentally that when only one transverse mode is occupied, the conductance displays an additional plateau at 0.7 X 2e2/h the so-called 0.7 anomaly. Further experiments have shown that in the presence of high in-plane magnetic fields, similar structures also appear in the conductance near the crossings of spin-split transverse modes [Graham et al. Phys. Rev. Lett. 91, 136404 (2003)]. These so-called 0.7 analogs, due to their similarity to the 0.7 anomaly, are usually related to either anti-crossings or magnetic phase transitions. Motivated by the quantitative agreement with experiments of a previous theoretical work on magnetotransport in 2DEGs and quantum Hall ferromagnetic phase transitions via the Spin Density Functional Theory (SDFT) [Freire and Egues, Phys. Rev. Lett. 99, 026801 (2007) & Ferreira et al. Phys. Stat. Sol. (c) 3, 4364 (2006)], here we propose a similar model to investigate the magnetoconductance of interacting quantum wires. We use (i) the SDFT via the Kohn-Sham self-consistent scheme within the local spin density approximation to obtain the quantum wire electronic structure and (ii) the Landauer-Büttiker formalism to calculate the conductance of a quantum wire in the linear response regime. Our results show good agreement with the data of Graham et al.

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.

A química computacional apresenta a grande vantagem de prover informações fundamentais para espécies moleculares propostas, antes mesmo de sua síntese em laboratório. A Teoria do Funcional da Densidade é bastante utilizada nesta área, produzindo resultados satisfatórios para um grande número de propriedades e sistemas, mas com uma menor demanda por recursos computacionais que métodos mais avançados. Entretanto, o desenvolvimento de funcionais que incluem efeitos relativísticos ainda se encontra num estágio inicial. Em geral, tais efeitos são importantes em compostos de átomos pesados, embora devam ser considerados também em sistemas com átomos mais leves se a propriedade em estudo for particularmente sensível, como é o caso do gradiente de campo elétrico na posição de núcleos em moléculas. Assim, na primeira etapa desta dissertação foi avaliado o desempenho de funcionais comuns de troca-correlação não relativísticos, quando utilizados em conjunto com o formalismo de quatro componentes (tratamento relativístico), no estudo dos gradientes de campo elétrico em núcleos de átomos (índio, antimônio, iodo, lutécio e háfnio) constituindo moléculas diatômicas. Foram investigados funcionais baseados nas aproximações da densidade local e do gradiente generalizado, funcionais híbridos e que incluem correções em termos da atenuação com a distância. Nossos resultados, que estão em acordo com observações da literatura, ressaltam o melhor desempenho de funcionais híbridos e com correções de atenuação para esta propriedade e demonstram a importância do uso do método indireto. Posteriormente, foi feita uma nova parametrização de alguns dos melhores funcionais não relativísticos selecionados na etapa anterior (B3LYP, PBE0 e CAM-B3LYP), dentro do formalismo de quatro componentes, para uso no cálculo destes mesmos gradientes num grupo teste de átomos (cobre, iodo, lantânio e ouro) em moléculas lineares. Nestes casos, os funcionais modificados propostos tiveram um bom desempenho geral e foram particularmente bem sucedidos para cobre e ouro. Finalmente, é possível destacar o funcional híbrido PBE0 e sua modificação, proposta neste estudo, por conta de seu desempenho excelente, tanto para os metais como para os demais elementos que tiveram seus EFGs investigados aqui. / The computational chemistry has the great advantage of providing fundamental information for proposed molecular species even before their synthesis in laboratory. The Density Functional Theory is widely used in this area, producing satisfactory results for a large number of properties and systems, but with a lower demand for computational resources than that of more advanced methods. However, the development of functionals that include relativistic effects is still at an early stage. In general, these effects are important in compounds containing heavy elements, but they must also be considered in systems of lighter atoms if the studied property was particularly sensitive, as occurs for the electric field gradient at the position of nuclei in molecules. Thus, the first step of this dissertation was to evaluate the performance of common non-relativistic exchange-correlation functionals when used in conjunction with the four component formalism (relativistic treatment) in the study of electric field gradients at the nuclei of atoms (indium, antimony, iodine, lutetium and hafnium) forming diatomic molecules. Functionals based on the local density approximation and generalized gradient approximation, hybrid functionals and the ones that include attenuation corrections were investigated. Our results, which are in agreement with observations in the literature, highlight the best performance of hybrid functionals and attenuation corrections for this property and demonstrate the importance of using the indirect approach. Subsequently, there was a new parameterization of some of the best non-relativistic functionals selected in the previous step (B3LYP, PBE0 and CAM - B3LYP) within the four component formalism for calculations of these same gradients in a trial group of atoms (copper, iodine, lanthanum and gold) into linear molecules. In these cases, the modified functionals proposed had a satisfactory overall performance and were particularly successful for copper and gold. Finally, it is possible to mention the excellent performance of the hybrid functional PBE0 and its modification proposed in this study for both metals and the other elements that had their EFGs investigated here.

Cocristais fármaco-fármaco envolvem a junção de dois ou mais insumos farmacêuticos ativos (IFAs), preservando seu caráter neutro e sem a necessidade de quebra ou formação de ligação covalente, mantendo desta maneira sua eficácia. Propriedades dos IFAs em estado sólido, como as interações entre grupos farmacofóricos e receptores, são determinadas pela polaridade dos grupos funcionais e potencial eletrostático assim como pelas interações intermoleculares, que por sua vez dependem das características eletrônicas e moleculares do arranjo tridimensional. Propriedades eletrônicas moleculares e sua relação com a topologia da densidade de carga eletrônica é parte dos estudos teóricos apresentados neste trabalho. Estes estudos envolvem cálculos da distribuição da densidade de carga eletrônica e sua topologia por meio da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas AIM (do inglês, atoms in molecules) de Bader. Neste contexto, o presente trabalho apresentou cálculos teóricos da densidade de carga em um sistema periódico tridimensional, utilizando como modelo de partida os dados cristalográficos do cocristal fármaco-fármaco constituído da 5-Fluorocitosina (antimetabólito) e da Isoniazida (tuberculostático), nomeado por 5FC-INH. A função de onda deste sistema foi calculada por meio da teoria do funcional da densidade DFT (do inglês, density functional theory), com alguns níveis de teoria em conjunto com funções de base, utilizando o pacote de programas CRYSTAL14. A distribuição da densidade de carga, resultante destes cálculos, foi analisada por meio da AIM utilizando alguns descritores topológicos, como densidade de carga, Laplaciano da densidade de carga e a elipticidade nos pontos críticos das ligações de enlace covalentes e as interações intermoleculares da unidade assimétrica. Uma análise preliminar dos valores da densidade de carga eletrônica, calculada nos pontos críticos de ligação da 5FC-INH, permitiu selecionar o nível de teoria e conjunto de funções base que melhor reproduziu os dados experimentais, como sendo o B3LYP/6-311++G**. Os valores dos descritores, obtidos dos cálculos com este nível de teoria, foram comparados com os provenientes dos experimentos de difração de raios X de alta resolução e resultaram em boa concordância na descrição da topologia da densidade de carga eletrônica. Os descritores apresentaram valores muito próximos dos reportados na literatura para os grupos funcionais da 5-FC e da INH. Imagens dos mapas das trajetórias do gradiente e do Laplaciano da densidade de carga, dos caminhos de ligação e dos contornos das bacias atômicas, permitiram visualizar as regiões de depleção e acúmulo da densidade de carga. Por meio destas representações foi possível descrever as ligações de hidrogênio responsáveis pela estabilização do cocristal, as ligações químicas covalentes, as deformações das bacias atômicas que caracterizam as polarizações e os mapas do Laplaciano que permitem observar os pares solitários de elétrons, como dos átomos de flúor, oxigênio e nitrogênio. / Drug-drug cocrystals involve the formation of crystals of two or more active pharmaceutical ingredients (APIs) preserving their original chemical characteristics since no breakage or formation of covalent bonds is observed, thus maintaining their effectiveness. APIs solid state properties, such as pharmacophoric and receptor group interactions are determined by the polarity of functional groups, electrostatic potential and potential intermolecular interactions, which in turn depend on the electronic and molecular characteristics of the three-dimensional arrangement. Molecular electron properties and their relationship with charge density topology is part of the theoretical studies presented in this dissertation. These studies involve electron charge density distribution calculations and their topology through the Bader’s quantum theory of atoms in molecules (AIM). To that aim, the present work presents theoretical calculations of the charge density in a three-dimensional periodic system, using crystallographic data of the drug-drug cocrystal involving the antimetabolite prodrug 5-Fluorocytosine (5-FC) and the tuberculostatic drug Isoniazid (INH), namely, 5FC-INH, as a starting model. The wave function of this system was calculated through density functional theory (DFT), with some levels of theory together with an adequate basis set, using the CRYSTAL14 program package. The charge density distribution resulting from these calculations was analyzed for the asymmetric unit using the AIM model where topological descriptors such as charge density, charge density Laplacian and ellipticity at bond critical points (for covalent bonds and intermolecular interactions). A preliminary analysis of the electronic charge density values, calculated at the bond critical points of 5FC-INH, allowed us to select the level of theory and basis set that best reproduced the experimental data, in this case B3LYP/6-311++G**. The values of the descriptors obtained from the calculations with this level of theory were compared with those obtained from the high resolution X-ray diffraction experiments and resulted in good agreement in the description of the topology of the electronic charge density. The descriptors presented values are very close to those reported in the literature for the functional groups in the 5-FC and INH molecules. Images of the maps of the gradient trajectory and Laplacian of charge density, bond paths and atomic basins contours, allowed visualizing the regions of depletion and accumulation of charge density. Through these representations it was possible to describe the hydrogen bonds responsible for the stabilization of the cocrystal, the covalent chemical bonds and the deformations of the atomic basins that characterize the polarizations and the maps of the Laplacian that allow to observe the pairs of isolated electrons, such as those in fluorine, oxygen and nitrogen atoms.

Diversos pesquisadores vêm sugerindo o uso de glicerol e outros alcoóis como matéria-prima para produção de bens de maior valor agregado e para geração de energia elétrica, através de células a combustível. Contudo, o sucesso dessas tecnologias de conversão depende do desenvolvimento de catalisadores mais eficientes. Nesse aspecto, abordagens teóricas se apresentam como ferramentas auxiliares, capazes de fornecer informações difíceis de serem acessadas experimentalmente e que são fundamentais para o projeto de materiais mais eficientes. Nesta tese, foram investigados, via teoria do funcional da densidade (DFT), o papel de defeitos de superfície e efeitos de tensão na adsorção de alcoóis como metanol, etanol e glicerol, sobre superfícies Pt(111) contendo defeitos e ligas de Pt3Ni(111). Para melhorar a descrição dos sistemas de adsorção, foi adicionada a correção de dispersão DFT-D3 à abordagem da DFT. Através da dinâmica molecular empregando o potencial ReaxFF, foram estudados os efeitos de temperatura sobre glicerol, em diversos níveis de recobrimento de superfície, interagindo com os substratos Pt3Ni(111). Os resultados mostram que o glicerol se liga através do oxigênio dos grupos hidróxi aos sítios top de metais de transição (TM), orientando sua cadeia carbônica quase que totalmente paralela à superfície. Os cálculos de energia de adsorção indicam que o glicerol interage mais fortemente com sítios de baixa coordenação, presentes em superfícies com defeitos, o que pode ser compreendido por meio do modelo da banda d. Além disso, a presença de múltiplos sítios de baixa coordenação favorece configurações onde o glicerol se liga à superfície por dois grupos hidróxi, um central e um terminal. Entretanto, existe uma clara preferência de alcoóis se ligarem a sítios de adsorção catiônicos, indicando que a influência de interações Coulombianas é um fator preponderante no processo de adsorção de alcoóis sobre TM. Análises de densidade eletrônica dos sistemas adsorvidos sugerem que a adsorção promove perturbações na densidade eletrônica dos alcoóis, como o deslocamento de densidade eletrônica das ligações C-O e O-H para a região de interação entre a molécula e o substrato, que estão associadas ao estiramento/enfraquecimento das ligações C-O e O-H observados através de análises estruturais. Os resultados DFT também demonstraram que a adição da correção de dispersão DFT-D3 melhorou a descrição das energias de adsorção e se mostrou essencial para reproduzir a tendência do crescimento da energia de adsorção com o tamanho molecular dos alcoóis, enquanto sua natureza atrativa promoveu a diminuição das distâncias atômicas entre alcoóis e substratos. O estudo de dinâmica molecular mostrou que a configuração de adsorção DFT se mantém apenas em temperaturas próximas de 0 K e que outras configurações são favorecidas a temperaturas mais altas. A presença de outras moléculas de glicerol promove, mediante o aquecimento do sistema, a formação de aglomerados de moléculas ligadas através de interações de hidrogênio, o que estabiliza as moléculas e, provavelmente, retarda seu processo de dessorção. Nos sistemas com maior densidade de moléculas, observou-se, ao final da simulação, a formação de fragmentos CH3OH-CHOH-CH2O- e átomos de H adsorvidos na superfície, indicando a quebra de ligações O-H do grupo hidróxi terminal. / Several researchers have been suggesting the use of glycerol and other alcohols as a feedstock to produce higher value-added goods and electricity through fuel cells. However, the success of these conversion technologies depends on the development of efficient catalysts. In this context, theoretical approaches are useful tools that are able to yield important insights that could not be easily obtained from experiments and are fundamental for the future design of more efficient materials. Hence, in this thesis, we investigated via density functional theory (DFT) the role of surface defects and strain effects on the adsorption of methanol, ethanol and glycerol on defected Pt(111) and Pt3Ni-based surfaces. To improve the description of the adsorbed systems, we added the van der Waals (vdW) correction DFT-D3 to the DFT approach. We also studied through molecular dynamics, employing the ReaxFF potential, the effects of temperature on the glycerol, considering different levels of surface coverage, interacting with the Pt3Ni(111) substrates. Our results show that the glycerol binds through the oxygen from a terminal hidroxi group to top sites of transition-metals (TM) with the carbon chain almost parallel to the surface. The calculations of adsorption energy indicate that glycerol interacts strongly with low-coordinated sites, such as those of surface defects, which can be rationalized through the d-band model. Furthermore, the presence of multiple low-coordinated sites was related with configurations where the glycerol binds to the substrates by two hidroxi groups, the central and a terminal one. However, there is a clear preference of the alcohols to bind on cationic adsorption sites, which indicates that the Coulomb interactions play a major role on the adsorption process of alcohols on TM. Electron density analyzes suggest that the adsorption promotes perturbations in the electronic density of the alcohols, such as a partial displacement of electron density from the C-O and O-H bonds to the region between the molecule and the substrate, which are related with the stretching/weakening of the C-O e O-H, as found in the structural analyzes. The DFT results also show that the addition of the DFT-D3 dispersion correction enhanced the adsorption energies and was essential to reproduce correctly the dependence of the binding energy with the molecule size, while its attractive nature promoted the decrease of the atomic distances between alcohols and substrates. The molecular dynamics showed that the glycerol DFT lowest energy adsorption configuration is maintained for temperatures close to 0 K whereas different configurations are favored in higher temperatures. In the presence of multiple glycerol molecules, the heating of the system promotes the formation of molecular clusters bound through hydrogen interactions, which stabilize the molecules and, probably, delay the desorption process. In the systems with higher molecular density, we found that CH3OH-CHOH-CH2O- fragments and H atoms are formed in the end of the simulation, which indicates that the breaking of O-H bonds from the terminal hidroxi groups is promoted.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:15:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marsal Eduardo Bento.pdf: 1108751 bytes, checksum: c5c36b13c56d8d4fadcee9ddc5a9098e (MD5) Previous issue date: 2014-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The development of Density Functional Theory (DFT) has been focused primarily on two main pillars: (1) the pursuit of more accurate exchange-correlation (XC) density functionals; (2) the feasibility of computational implementation when dealing with many-body systems. In this context, this work is aimed on using one-dimensional quantum systems as theoretical laboratories to investigate the implementation of orbital functionals (OFs) of density. By definition, OFs are those which depend only implicitly on the density, via an explicit formulation in terms of Kohn-Sham orbitals. Typical examples are the XC functionals arising from the Perdew-Zunger self-interaction correction (PZSIC). Formally, via Kohn-Sham equations, the implementation of OFs must be performed by means of the optimized effective potential method (OEP), which is known by requiring an excessive computational effort even when dealing with few electrons systems (N ̴ 10). Here, we proceed a systematical investigation aiming to simplify or avoid the OEP procedure, taking as reference the implementation of the PZSIC correction applied to one-dimensional Hubbard chains. / O desenvolvimento da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) tem se concentrado, sobretudo, em dois pilares fundamentais: (1) a busca por funcionais de troca e correlação (XC) mais precisos; (2) a viabilidade de implementação computacional diante de sistemas com muitos elétrons. Nesse contexto, o objetivo principal deste trabalho consiste em utilizar sistemas quânticos unidimensionais, mais simples de serem tratados numericamente, como laboratórios teóricos para o desenvolvimento de alternativas de implementação numérica de funcionais orbitais (OFs) da densidade. Por definição, OFs são todos aqueles que dependem apenas implicitamente da densidade, via formulação explícita em termos dos orbitais Kohn-Sham. Exemplos típicos são os funcionais XC advindos da correção de auto-interação de Perdew e Zunger (PZSIC). Formalmente, via equações de Kohn-Sham, a implementação de OFs deve ser procedida por meio do método do potencial efetivo otimizado (OEP) que, no contexto computacional, é conhecido por se tornar demasiadamente custoso, inclusive para sistemas com poucos elétrons (N ̴ 10). Sendo assim, investigamos, de forma sistemática, alternativas de simplificar ou evitar o procedimento OEP, tomando como referência a implementação da correção PZSIC aplicada a cadeias de Hubbard unidimensionais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / We use first principles calculations based upon the density functional theory to investigate the stability, geometry, electronic and magnetic properties of cibic silicon carbide (SiC) surfaces aligned along the (001) direction (β−SiC(001)) and nanoribbons (SiCNRs). The β−SiC(001) can be terminated in C or Si. For both terminations a great number of possible reconstruction are studied. To study the stability of the β−SiC(001) surface the formation energy is calculated, which shows that the two terminations (C or Si) have similar stability. Surfaces states are find in the bandgap for the two possible terminations. These surfaces states rule the electronic properties of the β−SiC(001) surface, which present metallic or semiconductor characteristics depending on the surface reconstruction. Aiming to saturate the dangling bonds and functionalize the C terminated β− SiC(001) surface, H atoms are adsorbed in the most stable configuration: the β− SiC(001) in the c(2x2) reconstruction where there are C dimers aligned in row and column. First we observe that the H adsorption is exothermic, indicating to a greater stability of the β−SiC(001) surface. Increasing the number of adsorbed H atoms (up to the third layer) we observe the formation of a nanotunnel structure. There tunnels are stable and small cavities present in the subsurface of the β−SiC(001). The semiconductor character of the β−SiC(001) in the presence of nanotunnels is preserved. The top of the valence band and of the boton of the band are surface states localized in hydrogenated C dimers near to the nanotunnel. Adsorbing Fe atoms on the β−SiC(001) surface we observe that the electronic and magnetic properties of the β−SiC(001) surface are strongly modified. There is a strong magnetic moment localized in Fe atoms adsorbed on the β−SiC(001) surface, which can present metallic or half metallic characteristics. The antiferromagnetic (AFM) interaction between the magnetic moments is favorable when compared to the ferromagnetic (FM) interaction. The electronic and magnetic properties of SiCNRs depend on the border structure. The SiCNRs terminated by H atoms and with armchair borders are semiconductor and no magnetic. Whereas the electronic and magnetic properties of SiCNRs terminated by H atoms and with zigzag border depend on the ribbon width and can be metallic or semiconductor. For pristine zigzag SiCNRs, the ferrimagnetic interaction between the borders is the ground state. The adsorption of Fe (atom and dimer) on a SiC sheet give rise to new electronic levels inside the bandgap and lead the SiC sheet to shows magnetic properties. The magnetic moment for Fe adsorbed on a SiC sheet is 2 μB and 6 μB, for a Fe atom or dimer adsorbed, respectively. The adsorption of Fe structures (atoms and dimers) on the SiCNRs is more stable near the borders of the ribbon. Depending on the Fe coverage and the magnetic interactions we can obtain, metallic, half-metallic, semiconductor or even a spin gapless semiconductor (SGS). These results show that functionalized SiC nanostructures are important materials for nanodevices. / Utilizando cálculos de primeiro princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade (DFT) realizou-se um estudo da estabilidade, geometria, propriedades eletrônicas e magnéticas de superfícies de carbeto de silício (SiC) cúbica alinhada ao longo da direção (001) (β−SiC(001)) e nanofitas de SiC. A superfície β−SiC(001) apresenta dois tipos de terminação: terminação em C ou em Si. Para cada terminação (C ou Si) foi estudado um grande número de reconstruções possíveis. No estudo da estabilidade da superfície β−SiC(001) calculamos a energia de superfície, que mostrou que as duas terminações (C ou Si) apresentam similar estabilidade. Para as duas terminações a análise das propriedades eletrônicas mostra que estados de superfície estão presentes no gap. Estes estados de superfície regem as propriedades eletrônicas da β−SiC(001) que apresentam comportamento metálico ou semicondutor, dependendo da reconstrução. Com o objetivo de saturar as ligações pendentes na superfície e ao mesmo tempo funcionalizar a superfície, efetuamos o estudo da hidrogenação da superfície β−SiC(001) terminada em C e na reconstrução mais estável que é a c(2x2), onde linhas e colunas de dímeros de C estão presentes. Inicialmente observamos que a adsorção de H é exotérmica indicando uma maior estabilidade da superfície β−SiC(001) hidrogenada. Aumentando o número de H adsorvido (hidrogenação até a terceira camada) foi possível mostrar a formação de nanotúnel na superfície. Os nanotúneis são pequenas cavidades presentes na subsuperfície da β−SiC(001). Na presença dos nanotúneis o carácter semicondutor é preservado. Com adsorção de átomos de Fe na β−SiC(001) as propriedades eletrônicas e magnéticas são fortemente influenciadas. Existe a presença de um forte momento magnético localizados nos átomos de Fe adsorvidos na β−SiC(001), que pode apresentar características metálicas ou meio-metálicas. A interação entre os momentos magnéticos favorece a uma interação do tipo antiferromagnética (AFM) se comparada com a interação do tipo ferromagnética (FM). As propriedades eletrônicas e magnéticas das nanofitas de SiC (SiCNFTs) são dependentes das bordas. As SiCNFTs terminadas em H e com bordas armchair são semicondutoras não magnéticas. No entanto, as propriedades eletrônicas e magnéticas das SiCNFTs terminadas em H e com bordas zigzag dependem da largura da fita e podem ser metálicas ou semicondutoras. Para as SiCNFTs na forma pristina, o estado fundamental ocorre quando há uma interação do tipo ferrimagnética entre as bordas. A adsorção de Fe (átomo e dímero) em uma folha de SiC faz com que novos níveis eletrônicos estejam presentes no gap e a folha de SiC apresenta propriedades magnéticas. O momento magnético para o átomo de Fe adsorvido sobre a folha de SiC é de 2 μB e para um dímero de Fe adsorvido este momento magnético é de 6 μB. A adsorção de Fe (átomo ou dímero) sobre as SiCNFTs é mais estável nas bordas das fitas. Dependendo da cobertura de Fe e das interações magnéticas podemos obter metais, meio-metais, semicondutores ou mesmo semicondutores com polarização de spin e gap nulo (SGS). Estes resultados mostram que nanoestruturas de SiC funcionalizadas são importantes materiais para nanodispositivos.

Nos últimos anos, complexos de irídio tem sido sugeridos para uso em materiais luminescentes, tais como diodos orgânicos emissores de luz (OLED\'s) e células eletroquímicas emissoras de luz (LEEC\'s). Suas potenciais utilidades como dispositivo é devido as suas características físico-químicas e fotofísicas, as quais são caracterizadas por tempos de vida curtos para o tripleto, estabilidade térmica, além da possibilidade de modificar a emissão sobre uma vasta gama de cores do espectro. Atualmente, muitas pesquisas tentam encontrar complexos de irídio com emissão de luz azul. No entanto, embora emissores de luz azul já tenham sido desenvolvidos, existe o problema relacionado a agregação destes complexos. Para resolver este o problema da agregação é necessário modificar a estrutura padrão do complexo com cadeias carbônicas saturadas para evitar empilhamento π-π. Experimentalmente esta é uma tarefa um tanto difícil. Dessa forma, métodos computacionais têm sido viáveis como uma abordagem para entender a estrutura e propriedades eletrônicas dos sistemas estudados. Aqui, é apresentado um estudo teórico baseado na teoria do funcional da densidade (DFT) para investigar a agregação de complexos de irídio, além de predizer como esta pode ser controlada com o uso de grupos substituintes adequados. Os cálculos foram realizados usando funcional PBE0 e conjunto de base 6-31G*, o qual provou ser adequada na descrição das propriedades do complexo. Portanto, cálculos subsequentes mostraram bons resultados, onde os estados excitados foram previstos ser de natureza predominantemente MLCT (transferência de carga do metal para o ligante) para o complexo 1 e LC (carga centrada no ligante) para o complexo 2. Alterações no ambiente químico provou ter grande influência sobre os estados excitados, onde a inclusão do solvente favoreceu a estabilidade, mantendo os estados excitados tripletos com energia entre 3.01 eV e 3.03 eV. Além disso, o uso dos grupos substituintes provou ser de grande importância para prevenir a agregação, especialmente no complexo 2, em que a partir do dímero matriz (sem substituintes) para o complexo substituído 2-1 (com metil) houve uma desestabilização da energia de interação entre os monômeros no dímero por ~ 19.78 kcal/mol, sendo que a energia do primeiro foi estimada ser -39.78 kcal/mol, enquanto o segundo foi -20 kcal/mol. Nossos resultados sugerem que a modificação do complexo torna-se bastante promissora, fazendo uso de pequenos grupos substituintes e cadeias carbônicas alifáticas, evitando assim, a agregação por empilhamento π-π. / In the last few years, iridium complexes have been suggested for use in luminescent materials such as organic light-emitting diodes (OLEDs) and light emitting electrochemical cells (LEECs)1-3. Their potential utility as luminescent devices is due to the physicochemical and photophysical properties, which are featured by short triplet emitting lifetimes (microseconds time scale), thermal stability, besides of possibility to tune the emission over desired spectral range. Actually, many researches try to find iridium complexes with efficient deep-blue emission, in order to use in these devices. Although many deep-blue emitters have been developed, there is still a big problem related to aggregation. So far, little has been reported about iridium complexes in solid environments, such as inorganic matrix of OLEDs and LEECs devices. To solve this issue is needed tune the structure of the complex in order to prevent the aggregation (steric hindrance), by means of drawing saturated carbon chains on the ligands to avoid the π-π stacking. Experimentally, this is a rather challenging and expensive task. In this aspect, computational methods have been performed as approaches to gain deeper insights about the structure and electronic properties of the studied systems. Here, we present a theoretical study based on density functional theory to investigate the aggregation iridium complexes, in addition to predict how this can be controlled with the use of suitable substituent groups. Calculations were performed using functional PBE0 and 6-31G* basis functions, which proved adequate in describing the properties of the complex. Therefore, subsequent calculations showed good results, where the excited state of the complex are provided, these being predominantly MLCT (metal to ligand charge transfer) nature for the complex 1 and LC (ligand centered) nature to complex 2. Changes in the chemical environment proved to have great influence on the excited states, where the inclusion of the solvent favored its stability, keeping the triplet excited states with energy between 3.01 and 3.03 eV. Furthermore, the use of substituent groups proved to be of great importance to prevent aggregation, especially in complex 2, wherein from the matrix dimer (no substituted) to complex with methyl groups there was a destabilization of the interaction energy between the monomers in the dimer by ~ 19.78 kcal / mol, being that the energy of the first was -39.78 kcal / mol, while the second was to -20 kcal / mol. Our results suggest that the modification of the complex becomes quite promising, making use of small groups and aliphatic carbon chains, thus avoiding aggregation by stacking.

O método de equalização da eletronegatividade (Electronegativity Equalization Method, EEM), fundamentado em teoria do funcional da densidade eletrônica, foi combinado à aproximação de Born generalizada para moléculas (Generalized Born, GB), e denominado GBEEM (Dias et al., 2002). Os momentos de dipolo permanente no vácuo e em meio condensado (constante dielétrica ~ 80), e distribuições de cargas atômicas, mostraram boa concordância com modelo SM5.4 baseado em cargas CM1 em nível PM3 (12 moléculas, correspondendo a 29 cargas atômicas). Este resultado é interessante devido à simplicidade inerente do GBEEM e seu baixo custo computacional. Uma nova parametrização das durezas e eletronegatividades foi feita com o objetivo de melhorar a distribuição de cargas atômicas em moléculas isoladas em relação ao modelo CM1. Um conjunto de 250 estruturas/cargas PM3/CM1 de moléculas neutras pertencentes a 13 funções orgânicas foi utilizado como alvo na parametrização, utilizando uma metodologia Algoritmo Genético/Simplex de pesquisa de mínimos (Menegon et al., 2002). Boa concordância entre os modelos foi obtida. A validação da parametrização e do EEM foi efetuada usando moléculas bifuncionais (tetrapeptídeo e trisacarídeo) mostrando também boa concordância e robustez. Entretanto, a análise do momento de dipolo permanente das 250 moléculas mostrou uma séria limitação do EEM, e portanto do GBEEM, apesar da boa concordância entre as cargas EEM e CM1. O EEM superestimou os momentos de dipolo. Tal fato pode decorrer de vários fatores, dentre os quais, o truncamento da expansão nas cargas atômicas e ausência de tratamento explícito de interação de troca (exchange). Foi sugerida uma aproximação que restringe a transferência de carga entre grupos na molécula que contornou a limitação do método na predição de momentos de dipolo no vácuo e meio condensado (Shimizu et al., 2004). Com base nos recentes resultados, foi desenvolvido um modelo de solvatação baseado no GBEEM e no modelo de Floris-Tomasi. A calibração foi feita com um conjunto de 62 moléculas neutras (13 grupos funcionais) tendo como alvo as energias livres de hidratação experimentais. Os resultados apresentaram um desvio médio absoluto de 0,71 kcal/mol em relação aos valores experimentais. / The electronegativity equalization method (EEM), founded on density functional theory (DFT), has been combined to the generalized Born approximation (GB) for molecules, and called GBEEM (Dias et al., 2002). The permanent dipole moment in vacuum and condensed phase (dieletric constant ~ 80), and atomic charges distributions, have shown good agreement with SM5.4 solvation model based on CM1 charges at PM3 level (12 molecules, corresponding to 29 atomic charges). This result is interesting due the simplicity of GBEEM and its low computational cost. A new parameterization of the hardness and electronegativities was done with the aim to improve the atomic charges distribution on isolated molecules in comparison to CM1 model. The training set with 250 PM3/CM1 structures/charges of neutral molecules in 13 different organic functions was employed as target in the parameterization. A new optimization approach composed of Genetic and Simplex algorithms was used to fit parameters (Menegon et al., 2002). Good agreement between the models was found. The validation of parameterization and EEM was done using bifunctional molecules (tri-glucose and tetra-peptide) showing good agreement and robustness. However, analysis of permanent dipole moments of 250 molecules shown a serious caveat of EEM and GBEEM, beside the good agreement between EEM and CM1 charges. EEM has overestimated the dipole moments. Such result may be due to the truncated expansion in atomic charges and lacking of explicit treatment of exchange interaction. A new approximation was proposed constraining the charge transfer between groups within the molecule. This approximation corrected the caveat of EEM in the prediction of dipole moments in vacuum and condensed phase (Shimizu et al., 2004). Based on these results, a new solvation model was developed founded in GBEEM and Floris-Tomasi model. The parameterization was done with a training set of 62 neutral molecules (13 functional groups) and experimental hydration free energies as target. This new solvation model has produced a mean absolute deviation, MAD, of 0.71 kcal/mol comparing to experimental data.