Made available in DSpace on 2016-08-18T18:19:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Samir Silva.pdf: 2648726 bytes, checksum: c089ee5506a5e19afed5dafba9cbc09f (MD5) Previous issue date: 2007-08-21 / In this work were studied the electronic, vibrations and structural properties of boron nitride nanotube bundles (16,0), (12,0) and (8,0), when submitted to the hydrostatic pressure changes. To study such properties, we used the ab initio method employing density functional theory in the approach of the generalized gradient approximation. All the simulations were performed using of the siesta code. The obtained results showed that the circular cross section of each one of the studied bundles undergoes a deformation (elliptic) when applied pressure reaches the value of P > 1,0 GPa for the bundle (16,0), P > 2,0 GPa for the bundle (12,0) and for values greater then 6,5 GPa for the bundle (8,0). For each pressure interval it was calculated the percent relative volume, cohesive energy, modes of vibrations and the band structures. The analysis of the electronic properties, through the band structures, indicates that the characteristics semiconducting of boron nitride nanotubes is preserved during the pressure increasing. / Neste trabalho foram estudadas as propriedades eletrõnicas, vibracionais e estruturais de bundles de nanotubos de nitreto de boro (16,0), (12,0) e (8,0) submetidos à variação de pressão hidrostástica. Para estudar tais propriedades, utilizamos o método ab initio com uso da teoria do funcional da densidade na aproximação do gradiente generalizado. Todas simulações foram realizadas com a utilização do código siesta. Com os resultados encontrados foi observado que a seção transversal circular de cada um dos bundles estudados sofre uma deformação (elíptica) quando a pressão aplicada atinge o valor de P > 1,0 GPa para o bundles (16,0), P > 2,0 GPa para o bundles (12,0) e P > 6,5 GPa para os bundles (8,0). Para cada intervalo de pressão aplicada calculamos o percentual do volume relativo, energia coesiva, modos vibracionais e a estrutura de bandas. A análise das propriedades eletrônicas, através da estrutura de bandas, indica que as características semicondutoras dos nanotubos de nitreto de boro são preservadas durante o aumento da pressão.

Esta tese compõe-se de contribuições à física das propriedades eletrônicas das heteroestruturas semicondutoras. São investigadas propriedades eletrônicas das duas hetero­estruturas básicas: o poço quântico e a super-rede. Considera-se o poço quântico dopado com impurezas rasas e estudam-se as suas propriedades eletrônicas nos regimes de poço fraca e altamente dopado. No caso de baixa densidade de impurezas é feita uma simulação Monte Carlo. É utilizado um modelo semi-clássico de band de impureza. A interação elétron-elétron é incluída de forma exata e são calculadas as seguintes propriedades do estado fundamental à temperatura zero: densidade de estados de uma partícula, distribuição de carga, energia de Fermi e distribuição do campo elétrico sobre os doadores neutros, todas em função do grau de compensação, da densidade de impurezas e da largura do poço. É observada uma. grande dependência com a compensação. Os resultados são explicados à luz da competição entre os efeitos de desordem e confinamento. É observada a ocorrência de Coulomb Gap característico de sistemas bidimensionais. Mostra-se que a. distribuição de carga possui largura e constante de decaimento determinados independentemente pela compensação e pela concentração de impurezas, respectivamente. Tais resultados são importantes para a caracterização de poços quânticos puros. No limite altamente dopado parte-se de um modelo light-binding desordenado e calcula­se a densidade de estados de uma partícula formada devido ao overlapping entre os estados localizados; utiliza-se o método de Matsubara e Toyosawa. para a obtenção da média sobre configurações. Discutem-se os efeitos da desordem diagonal introduzida pelo potencial de confinamento os quais são comparados com os da. desordem não-diagonal. São apresentados resultados para a densidade de estados em função do grau de confinamento e concentração de impurezas para poços e fios quânticos. Sâo estudadas as propriedades eletrônicas das super-redes sob campo magnético transversal à direção de crescimento. Mostra-se que esta configuração é ideal para o estudo das características básicas das super-redes: a estrutura de mini bandas e o tunelamento. Calculam-se as sub-bandas de condução utilizando a teoria de massa efetiva de muitas bandas. Introduz-se a idéia de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras. Comparam-se os resultados com dados experimentais de ressonância ciclotrônica. A ótima concordância obtida demonstra a grande importância e a utilidade do conceito de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras, que é uma maneira nova e simples de lidar com as soluções evanescentes. / This thesis is composed of contributions to the theory of electronic properties of semicon­ ductor heterostructures. Electronic properties of the basic two heterostructures (quantum well and superlattice) are investigated. A quantum well doped with shallow impurities is considered and its electronic properties are studied in both limits: lightly and heavily doped. In the first case a Monte Carlo simula­ tion technique is used. A semiclassical impurity band model is used . The electron-electron interaction is included exactly and properties of the ground state such as the density of single particle states, the charge distribution, the Fermi energy and the electric field di tribution on the neutra/ donors are calculated, all of them as a function of the degree of compensation, the impurity concentration and the width of the well. A great dependency with the compensation is observed. The results are explained by the competition between the effects of disorder and confinement. The existence of a Coulomb Gap is verified . The charge distribution is shown to have a width and decay rate given by the degree of compensation and impurity concentration, in this order. Such results are important to characterize pure quantum wells. On the heavily doped limit, a disordered tight-binding model is used and the density of states that is formed by the overlapping of localized states is calculated by using the method of Matsubara and Toyosawa for the configuration average. The diagonal disord er effect introduced by the confinement potential is considered and compared to that of the non­ diagonal disorder. Results of the density of states as a function of the degree of confinement and impurity concentration for quantum wells and wires are presented. The electronic propertie s of a superlattice under a magnetic field which is transversal to the growth direction are studied. Jt is shown that this configuration is id eal for the study of the basic characteristics of the superlattices: the subband structure and the tunneling. The conduction subbands are calculated by using the theory of many bands effective mass. The idea of renormalized effective mass for barriers is introduced. The obtained level spacings are compared with cyclotron resonance experimental data (infrared absorption). The good agreement obtained demonstrates the importance and usefulness of the renormalized effective mass, which is a new and simple way to handle evanescent waves.

SILVA, Mauricélio Bezerra da. Propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos cristais anidros das bases pirimidínicas: simulações na teoria do funcional da densidade. 2016. 143 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-03-18T16:29:43Z No. of bitstreams: 1 2016_dis_mbsilva.pdf: 5690802 bytes, checksum: 94fbc87b68d0551214a7a67d6328e488 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2016-03-18T16:47:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_dis_mbsilva.pdf: 5690802 bytes, checksum: 94fbc87b68d0551214a7a67d6328e488 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-18T16:47:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_dis_mbsilva.pdf: 5690802 bytes, checksum: 94fbc87b68d0551214a7a67d6328e488 (MD5) Previous issue date: 2016 / Uracil (U), thymine (T) and cytosine (C) are nitrogenous bases of the pyrimidine type. These along with the other two bases purines adenine (A) and guanine (G), form the essential basis of the ribonucleic acid molecule (RNA) and acid deoxyribonucleic (DNA), which contains the genetic information used by living cells. DNA and RNA crystals have enough attractive semiconductor characteristics in the field of organic electronics, and for this reason are strong candidates in the manufacture of molecular nanodevices. However, advancements in this area are still premature. This work presents the structural, electronic and optical of the anhydrous crystals of pyrimidine nucleotide bases. The theoretical results were obtained after calculations based on density functional theory (DFT), with an energy cut of 830 eV, using the approximations of local density (LDA) and generalized gradient (GGA), this last one including empirical corrections to dispersive interactions (PBE + TS) available at CASTEP package. The computational results were then compared with the crystals experiments of optical absorption and UV absorption. Theoretical studies applied to the crystals cytosine, thymine, adenine and guanine are already available in the literature. However, it is still missing a description using a more sophisticated functional as was used in this work. The absorption values obtained for the uracil, thymine and cytosine crystals shows that these have, respectively, indirect, direct and indirect gaps with values of 4.03 eV, 3.80 eV and 4.20 eV. As expected, the theoretical results exhibited energy gaps lower than the experimental values: 3.45 eV (U), 3.47 eV (C) and 3.50 eV (T). Effective mass calculations confirm literature data that the bases are generally wide gap semiconductor. Finally, the results obtained by DFT suggest a reasonable degree of optical anisotropy for the absorption and complex dielectric function, especially in uracil and thymine. As expected, the theoretical results exhibited energy gaps lower than the experimental values: 3.45 eV (U), 3.47 eV (C) and 3.50 eV. (T). Effective mass calculations confirm the literature data that the bases are semiconductor with wide gaps. Finally, the results obtained by DFT suggest a reasonable degree of optical anisotropy for the absorption and complex dielectric function, especially in the uracil and thymine cases. / Uracila (U), timina (T) e citosina (C) são bases nitrogenadas do tipo pirimidínicas. Essas juntamente com as outras duas bases púricas adenina (A) e guanina (G), formam as bases essenciais da molécula do ácido ribonucleico (ARN) e ácido desoxirribonucleico (ADN), que contém as informações genéticas usadas pelas células vivas. Os cristais de ADN e ARN apresentam características semicondutoras bastantes atrativas na área de eletrônica orgânica, e por este motivo são fortes candidatos na fabricação de nanodispositivos moleculares. No entanto, os avanços nessa área ainda são prematuros. Nesse trabalho são apresentadas as propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos cristais anidros das bases nucleotídicas pirimidínicas. Os resultados teóricos foram obtidos após cálculos baseados na teoria do funcional da densidade DFT, sob uma energia de corte de 830 eV, utilizando a aproximações da densidade local (LDA) e do gradiente generalizado (GGA), nessa última foi incluindo correções empíricas para interações dispersivas (PBE+TS) disponíveis no pacote CASTEP. Os resultados computacionais foram comparados então com os experimentos de absorção ótica e de absorção UV para os cristais. Estudos teóricos aplicados a cristais de citosina, timina, adenina e guanina já estão disponíveis na literatura. No entanto, faltava ainda uma descrição utilizando funcionais mais sofisticado como o adotado neste trabalho. Os valores de absorção apresentados para os cristais de uracila, timina e citosina mostra que estes possuem, respectivamente, gaps indireto, direto e indireto com valores obtidos de 4,03 eV, 3,80 eV e 4,20 eV. Como esperado, os resultados GGA+TS mostraram gaps de energia menores dos que os valores experimentais: 3,45 eV (U), 3,47 eV (C) e 3,50 eV (T). Cálculos de massa efetiva confirmam os dados da literatura de que as bases, em geral, são semicondutores de gaps largos. Por fim, os resultados obtidos por DFT sugerem um razoável grau de anisotropia óptica para a absorção e função dielétrica complexa, especialmente na uracila e timina.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Bi12GeO20 (BGO) belongs to the family of sillenite crystals BMO, where M = Ge, Si, Ti. These compounds exhibit remarkable photorefractive e ect and therefore are used in the development of information and image storage technologies, holography, ampli cation of luminous signals and dynamic interferometry. One of the strategies used to enhance the properties of interest of these sillenites is doping. The defects can create photorefractive centers in the matrix, introducing energy levels within the gap, in uencing the electronic and optical properties of the selenites. Experimental work reported a curious behavior when using transition metal ions (TMI) as dopants. Most of the TMIs, including Cr ions, are allocated at the high symmetry site Ge4+, with the exception of Cu2+ which enters into the matrix at the low symmetry site of Bi3+. This is a surprising fact due to the di erence between ionic radii and charge states of the dopants and the substitution ion Ge4+. In this work the LAPW method, based on the DFT theory and implemented in the WIEN2k program, was used to study the electronic, structural and energetic properties of pure BGO and doped BGO with chromium ions. In the study of doped cases, Cr ions were inserted at the substitutional sites of Ge4+ and Bi3+ The calculations were performed for neutral and charged systems. The approximations for correlation and exchange e ects were made through GGA-PBE and mBJ potentials. Were performed calculations of lattice parameter optimization, relaxation of atomic positions, state density, Bader charge and formation energies of defects. It was possible to nd the lattice parameter, and the band gap energy os the BGO pure, to analyse the way how the neighbourhood of the substitutional site behaves with the presence of the defect and nd the states that populate the valence and conduction bands of the studies cases. These data were taking into account to measure the ions valence. The results of the modeling showed that Cr prefers to accommodate in the BGO matrix with Cr3+/4+ valences. The preferential accommodation site of Cr3+ is Bi3+, which didn't meet with what has been reported experimentally in the literature. / O Bi12GeO20 (BGO) pertence a fam lia de cristais silenitas do tipo BMO, onde M = Ge, Si, Ti. Tais compostos apresentam um not avel efeito fotorrefrativo e por isso s~ao utilizados no desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de informa c~oes e imagens, hologra a, amplia c~ao de sinais luminosos e interferometria din^amica. Uma das estrat egias utilizadas para potencializar as propriedades de interesse dessas silenitas e a dopagem. Os defeitos podem criar centros fotorrefrativos na matriz, introduzindo n veis de energias dentro do gap e in uenciar nas propriedades eletr^onicas e opticas das silenitas. Trabalhos experimentais relataram um comportamento curioso ao se utilizar ons de metais de transi c~ao (TMI) como dopantes. A maior parte dos TMIs, incluindo os ons de Cr, s~ao alocados no s tio de alta simetria Ge4+, com exce c~ao do Cu2+ que se insere na matriz no s tio de baixa simetria do Bi3+. Esse e um fato surpreendente devido a diferen ca entre raios i^onicos e estados de carga dos dopantes e do on substitucional Ge4+. Neste trabalho foi utilizado o m etodo LAPW, baseado na teoria DFT e implementado no programa WIEN2k, para estudar as propriedades eletr^onicas, estruturais e energ eticas do BGO puro e dopado com ons de cromo. No estudo de casos dopados, os ons de Cr foram inseridos nos s tios substitucionais Ge4+ e Bi3+. Os c alculos foram executados para sistemas neutros e carregados. As aproxima c~oes para os efeitos de correla c~ao e troca foram feitas atrav es do funcional GGA-PBE e do potencial mBJ. Foram realizados c alculos de otimiza c~ao de par^ametro de rede, relaxa c~ao de posi c~oes at^omicas, densidade de estados, carga de Bader e energias de forma c~ao de defeito. Foi poss vel encontrar o par^ametro de rede, a energia de gap do BGO puro, analisar a forma como a vizinhan ca do s tio substitucional se comporta com a presen ca do defeito e encontrar os estados que populam as bandas de val^encia e condu c~ao dos casos estudados. Esses dados foram levados em conta para aferir a val^encia dos ons. Os resultados das modelagens mostraram que o Cr prefere se acomodar na matriz do BGO com val^encias Cr3+/4+. O s tio de acomoda c~ao preferencial do Cr3+ e o Bi3+, o que vai de encontro ao que foi relatado experimentalmente na literatura. / São Cristóvão, SE

In present dissertation we studied theoretically the structural, electronic and optical properties of lithium tetraborate, Li2B4O7, an important material, frequently used as detector of radiation and neutrons. As a calculation tool we utilized first-principles Linear Augmented Plane Wave (LAPW) method, based on Density Functional Theory and implemented into WIEN2k computer code. Exchange and correlation effects within the electronic system were simulated by recently developed |Modified Becke Johnson| (mBJ) semi-local potential. The lattice parameters and atomic positions within the Li2B4O7 unit cell were computationally relaxed, and the resulting structure was found to agree well with the experimental one. Calculated electronic structure (band structure and density of states DOS) revealed the nature and magnitude of the band gap (indirect, 9,2 eV), as well as the orbital character of the bands around it. The valence band top consists predominantly of oxygen´s p-states, while the conduction band bottom is dominated by the p-states of boron which is trigonally coordinated with its neighboring oxygens (B(1)). The energies of principal peaks in the valence band DOS, as well as the calculated magnitude of the gap, are found to agree very well with experimental findings. Next, we calculated real and imaginary part of dielectric tensor of the Li2B4O7, as well as its refractive index. Analysis of imaginary part of dielectric tensor permitted us to interpret the optical absorption spectrum of the Li2B4O7 in terms of electronic transitions that occur between populated and empty electron states. The results revealed that absorption threshold starts at 9,2 eV approximately, and that the first absorption peak originates from electron transfer from the full O p-states to the empty B p-states within the trigonal, B(1)O3, structural motif. Refractive index is calculated for two directions of polarizations of incident light, parallel to the crystallographic axes a and c. It was concluded that the Li2B4O7 is optically anisotropic material. Calculated refractive indexes were compared to experimental ones, recorded in the wavelength range from 184 to 2325 nm, and it was found a good agreement between them. On the basis of present study we conclude that computationally efficient semi-local mBJ potential accurately describes the electronic and optical properties of the Li2B4O7. / No presente trabalho foram estudadas as propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas do tetraborato de lítio, Li2B4O7, um material importante, frequentemente usado como detector de radiação e de nêutrons. Como ferramenta de cálculo foi utilizado o método ab-initio Linear Augmented Plane Wave (LAPW) baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e implementado no código computacional Wien2k. Os efeitos de correlação e troca do sistema eletrônico foram simulados através de um potencial semi-local, Modified Becke Johnson mBJ, recentemente desenvolvido. Os parâmetros de rede e todas as posições atômicas na célula unitária cristalina do Li2B4O7 foram otimizados, a fim de atingir uma configuração de mínima energia para o sistema. Os resultados obtidos, referentes ao volume da célula unitária e das posições atômicas, mostraram boa concordância quando comparados com medidas experimentais. O cálculo da estrutura eletrônica (estrutura de bandas e densidade de estados - DOS) revelou a natureza e o tamanho do band gap fundamental do composto, bem como o caráter orbital das bandas por sua volta. De acordo com os resultados, o Li2B4O7 possui gap fundamental indireto de 9,2 eV. No topo da banda de valência predominam orbitais do tipo p dos átomos de oxigênio, enquanto que o fundo da banda de condução é formado, em sua maioria, por estados p referentes aos átomos de boro, B(1). As posições dos picos da DOS na banda de valência, assim como o valor calculado do gap, concordam muito bem com resultados experimentais. Neste trabalho também foram calculadas as partes real e imaginária do tensor dielétrico do Li2B4O7, bem como o seu índice de refração. A análise da parte imaginária do tensor dielétrico possibilitou a interpretação, em termos das transições eletrônicas, do espectro de absorção óptica do Li2B4O7. Os resultados revelaram que a borda de absorção se encontra perto da energia de 9,2 eV, e que o primeiro pico é devido às transições eletrônicas entre estados p dos átomos de oxigênio para estados P dos átomos de boro, as quais ocorrem dentro do grupo trigonal, B(1)O3. O índice de refração foi calculado para as duas direções de polarização da luz, paralelas aos eixos cristalinos a e c. De acordo com esses resultados, o Li2B4O7 é um material opticamente anisotrópico. O índice de refração calculado concorda bem com o experimental, medido em uma faixa de comprimentos de onda de 184 a 2325 nm. Na essência do presente estudo é possível concluir que o potencial mBJ, computacionalmente eficiente, descreve precisamente as propriedades eletrônicas e ópticas do Li2B4O7.

Esta tese compõe-se de contribuições à física das propriedades eletrônicas das heteroestruturas semicondutoras. São investigadas propriedades eletrônicas das duas hetero­estruturas básicas: o poço quântico e a super-rede. Considera-se o poço quântico dopado com impurezas rasas e estudam-se as suas propriedades eletrônicas nos regimes de poço fraca e altamente dopado. No caso de baixa densidade de impurezas é feita uma simulação Monte Carlo. É utilizado um modelo semi-clássico de band de impureza. A interação elétron-elétron é incluída de forma exata e são calculadas as seguintes propriedades do estado fundamental à temperatura zero: densidade de estados de uma partícula, distribuição de carga, energia de Fermi e distribuição do campo elétrico sobre os doadores neutros, todas em função do grau de compensação, da densidade de impurezas e da largura do poço. É observada uma. grande dependência com a compensação. Os resultados são explicados à luz da competição entre os efeitos de desordem e confinamento. É observada a ocorrência de Coulomb Gap característico de sistemas bidimensionais. Mostra-se que a. distribuição de carga possui largura e constante de decaimento determinados independentemente pela compensação e pela concentração de impurezas, respectivamente. Tais resultados são importantes para a caracterização de poços quânticos puros. No limite altamente dopado parte-se de um modelo light-binding desordenado e calcula­se a densidade de estados de uma partícula formada devido ao overlapping entre os estados localizados; utiliza-se o método de Matsubara e Toyosawa. para a obtenção da média sobre configurações. Discutem-se os efeitos da desordem diagonal introduzida pelo potencial de confinamento os quais são comparados com os da. desordem não-diagonal. São apresentados resultados para a densidade de estados em função do grau de confinamento e concentração de impurezas para poços e fios quânticos. Sâo estudadas as propriedades eletrônicas das super-redes sob campo magnético transversal à direção de crescimento. Mostra-se que esta configuração é ideal para o estudo das características básicas das super-redes: a estrutura de mini bandas e o tunelamento. Calculam-se as sub-bandas de condução utilizando a teoria de massa efetiva de muitas bandas. Introduz-se a idéia de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras. Comparam-se os resultados com dados experimentais de ressonância ciclotrônica. A ótima concordância obtida demonstra a grande importância e a utilidade do conceito de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras, que é uma maneira nova e simples de lidar com as soluções evanescentes. / This thesis is composed of contributions to the theory of electronic properties of semicon­ ductor heterostructures. Electronic properties of the basic two heterostructures (quantum well and superlattice) are investigated. A quantum well doped with shallow impurities is considered and its electronic properties are studied in both limits: lightly and heavily doped. In the first case a Monte Carlo simula­ tion technique is used. A semiclassical impurity band model is used . The electron-electron interaction is included exactly and properties of the ground state such as the density of single particle states, the charge distribution, the Fermi energy and the electric field di tribution on the neutra/ donors are calculated, all of them as a function of the degree of compensation, the impurity concentration and the width of the well. A great dependency with the compensation is observed. The results are explained by the competition between the effects of disorder and confinement. The existence of a Coulomb Gap is verified . The charge distribution is shown to have a width and decay rate given by the degree of compensation and impurity concentration, in this order. Such results are important to characterize pure quantum wells. On the heavily doped limit, a disordered tight-binding model is used and the density of states that is formed by the overlapping of localized states is calculated by using the method of Matsubara and Toyosawa for the configuration average. The diagonal disord er effect introduced by the confinement potential is considered and compared to that of the non­ diagonal disorder. Results of the density of states as a function of the degree of confinement and impurity concentration for quantum wells and wires are presented. The electronic propertie s of a superlattice under a magnetic field which is transversal to the growth direction are studied. Jt is shown that this configuration is id eal for the study of the basic characteristics of the superlattices: the subband structure and the tunneling. The conduction subbands are calculated by using the theory of many bands effective mass. The idea of renormalized effective mass for barriers is introduced. The obtained level spacings are compared with cyclotron resonance experimental data (infrared absorption). The good agreement obtained demonstrates the importance and usefulness of the renormalized effective mass, which is a new and simple way to handle evanescent waves.