COSTA, Diego Rabelo da. Transportes e confinamento em monocamada e bicamada de nanoestruturas de grafeno com diferentes bordas, interfaces e potenciais. 2014. 201 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-01T22:18:12Z No. of bitstreams: 1 2014_tese_drcosta.pdf: 54910487 bytes, checksum: 82b386bac8259edaa10f6d5ff314bd42 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-01T22:19:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_tese_drcosta.pdf: 54910487 bytes, checksum: 82b386bac8259edaa10f6d5ff314bd42 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-01T22:19:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_tese_drcosta.pdf: 54910487 bytes, checksum: 82b386bac8259edaa10f6d5ff314bd42 (MD5) Previous issue date: 2014 / Graphene, a two-dimensional lattice of carbon atoms, has been widely studied during the past few years. The interest in this material is not only due to its possible future technological applications, but also because it provides the possibility to probe interesting phenomena predicted by quantum field theories, ranging from Klein tunneling and other quasi-relativistic effects to the existence of new types of electron degrees of freedom, namely, the pseudo-spin, and the existence of two inequivalent electronic valleys in the vicinity of the gapless points of its energy spectrum. Several of the exotic properties observed in graphene originate from the fact that within the low energy approximation for the tight-binding Hamiltonian of graphene, electrons behave as massless Dirac fermions, with a linear energy dispersion. Just like in single layer graphene, the low-energy eletronic spectrum in bilayer graphene is gapless, but in this case it is dominated by the parabolic dispersion. Nevertheless, one interesting feature is shared by both monolayer and bilayer graphene: the valley degree of freedom. In this thesis, we theoretically investigate: (i) the dynamic properties in mono and bilayer graphene, performing a systematic study of wave packet scattering in different interface shapes, edges and potentials; and furthermore (ii) the energy levels of confined systems in graphene in the presence or absence of external magnetic and electric fields. In the first part of the work, we use the tight-binding approach to study the scattering of a Gaussian wave packet on monolayer graphene edges (armchair and zigzag) in the presence of real and pseudo (strain induced) magnetic fields and also calculate the transmission probabilities of a Gaussian wave packet through a quantum point contact defined by electrostatic gates in bilayer graphene. These numerical calculations are based on the solution of the time-dependent Schrödinger equation for the tight-binding model Hamiltonian, using the Split-operator technique. Our theory allows us to investigate scattering in reciprocal space, and depending on the type of graphene edge we observe scattering within the same valley, or between different valleys. In the presence of an external magnetic field, the well known skipping orbits are observed. However, our results demonstrate that in the case of a pseudo-magnetic field, induced by non-uniform strain, the scattering by an armchair edge results in a non-propagating edge state. We propose also a very efficient valley filtering through a quantum point contact system defined by electrostatic gates in bilayer graphene. For the suggested bilayer system, we investigate how to improve the efficiency of the system as a valley filter by varying parameters, such as length, width and amplitude of the applied potential. In the second part of the thesis, we present a systematic study of the energy spectra of graphene quantum rings having different geometries and edge types, in the presence of a perpendicular magnetic field. We discuss which features obtained through a simplified Dirac model can be recovered when the eigenstates of graphene quantum rings are compared with the tight-binding results. Furthermore, we also investigate the confined states in two different hybrid monolayer - bilayer systems, identifying dot-localized states and edge states for the suggested bilayer confinement structures, as well as we will study the behavior of the energy levels as a function of dot size and under an applied external magnetic field. Finally, using the four-band continuum Dirac model, we also derive a general expression for the infinite-mass boundary condition in bilayer graphene in order to apply this boundary condition to calculate analytically the confined states and the corresponding wave functions in a bilayer graphene quantum dot in the absence and presence of a perpendicular magnetic field. Our analytic results exhibit good agreement when compared with the tight-binding ones. / Grafeno, uma rede bidimensional de átomos de carbono, tem sido amplamente estudado durante os últimos anos. O interesse por este material não é apenas devido às suas possíveis aplicações tecnológicas futuras, mas também porque oferece a possibilidade de investigar fenômenos interessantes previstos pelas teorias quânticas de campo, que vão desde o tunelamento de Klein e outros efeitos quasi-relativísticos à existência de novos tipos de graus de liberdade do elétron, ou seja, o pseudo-spin, e a existência de dois vales eletrônicos não-equivalentes na vizinhança dos pontos sem gap do seu espectro de energia. Várias das propriedades exóticas observadas no grafeno originam-se do facto de que dentro da aproximação de baixas energias para o Hamiltoniano tight-binding do grafeno, elétrons se comportam como férmions de Dirac sem massa, com uma dispersão de energia linear. Assim como no caso de uma monocamada de grafeno, o espectro eletrônico de baixas energias para uma bicamada de grafeno é sem gap, mas, neste caso, é dominado pela dispersão parabólica. No entanto, uma característica interessante é compartilhada por ambas monocamada e bicamada de grafeno: o grau de liberdade de vale. Nesta tese, nós investigamos teoricamente: (i) as propriedades dinâmicas em mono e bicamadas de grafeno, realizando um estudo sistemático do espalhamento de pacotes de onda em diferentes formas de interfaces, bordas e potenciais; e, além disso, (ii) os níveis de energia de sistemas confinados no grafeno na presença ou ausência de campos magnéticos e elétricos externos. Na primeira parte do trabalho, nós utilizamos a abordagem tight-binding para estudar o espalhamento de um pacote de onda Gaussiano nas bordas de uma monocamada de grafeno (armchair e zigzag) na presença de campos magnéticos reais e pseudo-magnéticos (induzidos por tensão) e também calculamos as probabilidades de transmissão de um pacote de onda Gaussiano através de um contato de ponto quântico definido por potenciais eletrostáticos em bicamadas de grafeno. Estes cálculos numéricos são baseados na solução da equação de Schrödinger dependente do tempo para o Hamiltoniano do modelo tight-binding, usando a técnica Split-operator. Nossa teoria permite investigar espalhamento no espaço recíproco, e dependendo do tipo de borda do grafeno, nós observamos espalhamento dentro do mesmo vale, ou entre diferentes vales. Na presença de um campo magnético externo, as bem conhecidas órbitas skipping orbits são observadas. No entanto, nossos resultados demonstram que, no caso de um campo pseudo-magnético induzido por uma tensão não-uniforme, o espalhamento por uma borba armchair resulta em um estado de borda não-propagante. Nós também propomos um sistema de filtragem de vales muito eficiente através de um sistema de contato de ponto quântico definido por portas eletrostáticas em uma bicamada de grafeno. Para o sistema de bicamadas sugerido, nós investigamos a forma de melhorar a eficiência do sistema como um filtro de vales por diferentes parâmetros, como comprimento, largura e amplitude do potencial aplicado. Na segunda parte da tese, nós apresentamos um estudo sistemático dos espectros de energia de anéis quânticos de grafeno com diferentes geometrias e tipos de borda, na presença de um campo magnético perpendicular. Nós discutimos quais características obtidas por meio de um modelo simplificado de Dirac podem ser recuperadas quando os auto-estados de anéis quânticos de grafeno são comparados com os resultados do modelo tight-binding. Além disso, nós também investigamos os estados confinados em dois sistemas híbridos diferentes de monocamada - bicamada, identificando estados localizados dentro do ponto e estados de borda para as estruturas de confinamento em bicamadas sugeridas, assim como vamos estudar o comportamento dos níveis de energia em função do tamanho do ponto e sob um campo magnético externo aplicado. Finalmente, usando o modelo contínuo de Dirac de quatro bandas, nós também derivamos uma expressão geral para a condição de contorno de massa infinita em bicamada de grafeno, a fim de aplicar essa condição de contorno para calcular analiticamente os estados confinados e as correspondentes funções de onda em um ponto quântico em uma bicamada de grafeno na ausência e na presença de um campo magnético perpendicular. Nossos resultados analíticos apresentam boa concordância quando comparados com os resultados tight-binding.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Grafeno, uma rede bidimensional de Ãtomos de carbono, tem sido amplamente estudado durante os Ãltimos anos. O interesse por este material nÃo à apenas devido Ãs suas possÃveis aplicaÃÃes tecnolÃgicas futuras, mas tambÃm porque oferece a possibilidade de investigar fenÃmenos interessantes previstos pelas teorias quÃnticas de campo, que vÃo desde o tunelamento de Klein e outros efeitos quasi-relativÃsticos à existÃncia de novos tipos de graus de liberdade do elÃtron, ou seja, o pseudo-spin, e a existÃncia de dois vales eletrÃnicos nÃo-equivalentes na vizinhanÃa dos pontos sem gap do seu espectro de energia. VÃrias das propriedades exÃticas observadas no grafeno originam-se do facto de que dentro da aproximaÃÃo de baixas energias para o Hamiltoniano tight-binding do grafeno, elÃtrons se comportam como fÃrmions de Dirac sem massa, com uma dispersÃo de energia linear. Assim como no caso de uma monocamada de grafeno, o espectro eletrÃnico de baixas energias para uma bicamada de grafeno à sem gap, mas, neste caso, à dominado pela dispersÃo parabÃlica. No entanto, uma caracterÃstica interessante à compartilhada por ambas monocamada e bicamada de grafeno: o grau de liberdade de vale. Nesta tese, nÃs investigamos teoricamente: (i) as propriedades dinÃmicas em mono e bicamadas de grafeno, realizando um estudo sistemÃtico do espalhamento de pacotes de onda em diferentes formas de interfaces, bordas e potenciais; e, alÃm disso, (ii) os nÃveis de energia de sistemas confinados no grafeno na presenÃa ou ausÃncia de campos magnÃticos e elÃtricos externos. Na primeira parte do trabalho, nÃs utilizamos a abordagem tight-binding para estudar o espalhamento de um pacote de onda Gaussiano nas bordas de uma monocamada de grafeno (armchair e zigzag) na presenÃa de campos magnÃticos reais e pseudo-magnÃticos (induzidos por tensÃo) e tambÃm calculamos as probabilidades de transmissÃo de um pacote de onda Gaussiano atravÃs de um contato de ponto quÃntico definido por potenciais eletrostÃticos em bicamadas de grafeno. Estes cÃlculos numÃricos sÃo baseados na soluÃÃo da equaÃÃo de SchrÃdinger dependente do tempo para o Hamiltoniano do modelo tight-binding, usando a tÃcnica Split-operator. Nossa teoria permite investigar espalhamento no espaÃo recÃproco, e dependendo do tipo de borda do grafeno, nÃs observamos espalhamento dentro do mesmo vale, ou entre diferentes vales. Na presenÃa de um campo magnÃtico externo, as bem conhecidas Ãrbitas skipping orbits sÃo observadas. No entanto, nossos resultados demonstram que, no caso de um campo pseudo-magnÃtico induzido por uma tensÃo nÃo-uniforme, o espalhamento por uma borba armchair resulta em um estado de borda nÃo-propagante. NÃs tambÃm propomos um sistema de filtragem de vales muito eficiente atravÃs de um sistema de contato de ponto quÃntico definido por portas eletrostÃticas em uma bicamada de grafeno. Para o sistema de bicamadas sugerido, nÃs investigamos a forma de melhorar a eficiÃncia do sistema como um filtro de vales por diferentes parÃmetros, como comprimento, largura e amplitude do potencial aplicado. Na segunda parte da tese, nÃs apresentamos um estudo sistemÃtico dos espectros de energia de anÃis quÃnticos de grafeno com diferentes geometrias e tipos de borda, na presenÃa de um campo magnÃtico perpendicular. NÃs discutimos quais caracterÃsticas obtidas por meio de um modelo simplificado de Dirac podem ser recuperadas quando os auto-estados de anÃis quÃnticos de grafeno sÃo comparados com os resultados do modelo tight-binding. AlÃm disso, nÃs tambÃm investigamos os estados confinados em dois sistemas hÃbridos diferentes de monocamada - bicamada, identificando estados localizados dentro do ponto e estados de borda para as estruturas de confinamento em bicamadas sugeridas, assim como vamos estudar o comportamento dos nÃveis de energia em funÃÃo do tamanho do ponto e sob um campo magnÃtico externo aplicado. Finalmente, usando o modelo contÃnuo de Dirac de quatro bandas, nÃs tambÃm derivamos uma expressÃo geral para a condiÃÃo de contorno de massa infinita em bicamada de grafeno, a fim de aplicar essa condiÃÃo de contorno para calcular analiticamente os estados confinados e as correspondentes funÃÃes de onda em um ponto quÃntico em uma bicamada de grafeno na ausÃncia e na presenÃa de um campo magnÃtico perpendicular. Nossos resultados analÃticos apresentam boa concordÃncia quando comparados com os resultados tight-binding. / Graphene, a two-dimensional lattice of carbon atoms, has been widely studied during the past few years. The interest in this material is not only due to its possible future technological applications, but also because it provides the possibility to probe interesting phenomena predicted by quantum field theories, ranging from Klein tunneling and other quasi-relativistic effects to the existence of new types of electron degrees of freedom, namely, the pseudo-spin, and the existence of two inequivalent electronic valleys in the vicinity of the gapless points of its energy spectrum. Several of the exotic properties observed in graphene originate from the fact that within the low energy approximation for the tight-binding Hamiltonian of graphene, electrons behave as massless Dirac fermions, with a linear energy dispersion. Just like in single layer graphene, the low-energy eletronic spectrum in bilayer graphene is gapless, but in this case it is dominated by the parabolic dispersion. Nevertheless, one interesting feature is shared by both monolayer and bilayer graphene: the valley degree of freedom. In this thesis, we theoretically investigate: (i) the dynamic properties in mono and bilayer graphene, performing a systematic study of wave packet scattering in different interface shapes, edges and potentials; and furthermore (ii) the energy levels of confined systems in graphene in the presence or absence of external magnetic and electric fields. In the first part of the work, we use the tight-binding approach to study the scattering of a Gaussian wave packet on monolayer graphene edges (armchair and zigzag) in the presence of real and pseudo (strain induced) magnetic fields and also calculate the transmission probabilities of a Gaussian wave packet through a quantum point contact defined by electrostatic gates in bilayer graphene. These numerical calculations are based on the solution of the time-dependent SchrÃdinger equation for the tight-binding model Hamiltonian, using the Split-operator technique. Our theory allows us to investigate scattering in reciprocal space, and depending on the type of graphene edge we observe scattering within the same valley, or between different valleys. In the presence of an external magnetic field, the well known skipping orbits are observed. However, our results demonstrate that in the case of a pseudo-magnetic field, induced by non-uniform strain, the scattering by an armchair edge results in a non-propagating edge state. We propose also a very efficient valley filtering through a quantum point contact system defined by electrostatic gates in bilayer graphene. For the suggested bilayer system, we investigate how to improve the efficiency of the system as a valley filter by varying parameters, such as length, width and amplitude of the applied potential. In the second part of the thesis, we present a systematic study of the energy spectra of graphene quantum rings having different geometries and edge types, in the presence of a perpendicular magnetic field. We discuss which features obtained through a simplified Dirac model can be recovered when the eigenstates of graphene quantum rings are compared with the tight-binding results. Furthermore, we also investigate the confined states in two different hybrid monolayer - bilayer systems, identifying dot-localized states and edge states for the suggested bilayer confinement structures, as well as we will study the behavior of the energy levels as a function of dot size and under an applied external magnetic field. Finally, using the four-band continuum Dirac model, we also derive a general expression for the infinite-mass boundary condition in bilayer graphene in order to apply this boundary condition to calculate analytically the confined states and the corresponding wave functions in a bilayer graphene quantum dot in the absence and presence of a perpendicular magnetic field. Our analytic results exhibit good agreement when compared with the tight-binding ones.

One of the most central concepts in condensed matter physics is the electronic band structure. Although band theory was established more than 80 years ago, recent developments have led to new insights that are formulated in the framework of topological band theory. In this thesis a subset of topological band theory is presented, with particular focus on topological supercon- ductors and accompanying Majorana fermions. While simple models are used to introduce basic concepts, a physically more realistic model is also studied intensely in the papers. Through self- consistent tight-binding calculations it is confirmed that Majorana fermions appear in vortex cores and at wire end points when the superconductor is in the topologically non-trivial phase. Many other properties such as the topological invariant, experimental signatures in the local density of states and spectral function, unconventional and odd-frequency pairing, the precense of spin-polarized currents and spin-polarization of the Majorana fermions, and a local π-phase shift in the order parameter at magnetic impurities are also investigated.

The technological interest in a material depends very much on its electrical, magnetic, optical and/or mechanical properties. In carbon nanotubes the atoms form a cylindrical structure with a diameter of the order 1 nm, but the nanotubes can be up to several hundred micrometers in length. This makes carbon nanotubes a remarkable model for one-dimensional systems. A lot of efforts have been dedicated to manufacturing carbon nanotubes, which is expected to be the material for the next generation of devices. Despite all the attention that carbon nanotubes have received from the scientific community, only rather limited progress has been made in the theoretical understanding of their physical properties. In this work, we attempt to provide an understanding of the electron-phonon and electron-defect interactions in semiconducting zigzag carbon nanotubes using a tight-binding approach. The electronic energy dispersion relations are calculated by applying the zone-folding technique to the dispersion relations of graphene. A fourth-nearest-neighbour force constant model has been applied to study the vibrational modes in the carbon nanotubes. Both the electron-phonon interaction and the electron-defect interaction are formulated within the tight-binding approximation, and analyzed in terms of their quantum mechanical scattering rates. Apart from the scattering rates, their components in terms of phonon absorption, phonon emission, backscattering and forward scattering have been determined and analyzed. The scattering rates for (5,0), (7,0), (10,0), (13,0) and (25,0) carbon nanotubes at room temperature and at 10K are presented and discussed. The phonon scattering rate is dependent on the lattice temperature in the interval 0-0.17 eV. We find that backscattering and phonon emission are dominant over forward scattering and phonon absorption in most of the energy interval. However, forward scattering and phonon absorption can be comparable to backscattering and phonon emission in limited energy intervals. The phonon modes associated with each peak in the electron-phonon scattering rates have been identified, and the similarities in the phonon scattering rates between different nanotubes are discussed. The dependence of the defect scattering rate on the tube diameter is similar to that of the phonon scattering rate. Both the phonon and the defect scattering rates show strong dependence on the tube diameter (i.e., the scattering rate decreases as a function of the index of the nanotube). It is observed that the backscattering and forward scattering for electrons interacting with defects occur with same frequency at all energies, in sharp contrast to the situation for phonon scattering. It is demonstrated that the differences in the scattering rate between different tubes are mainly due to the differences in their band structures.

To obtain accurate adsorption energies of molecules on surfaces is a challenging task as the methods with sufficient accuracy are too computationally demanding to be applied to the systems of interest. Embedding theories provide a natural remedy: focus the computation on a small region and incorporate the effects of the environment. In this thesis, embedding schemes and the response of many-electron systems to an adsorbed impurity are investigated. To this end, two approaches are used: tight-binding and ab initio. In the tight-binding method, the Green's function formalism is studied and explicit expressions for Green's functions of various one- and two-dimensional models are obtained. Using this formalism, we study qualitatively the local density of states and adsorption energies. In the second part of this thesis, state-of-the-art ab initio methods are employed to study convergence of the subtractive embedding scheme for adsorption energies of small closed-shell systems on two-dimensional graphene and hexagonal boron nitride. The efficiency and applicability of the scheme are assessed for neon and hydrogen fluoride as adsorbates. We found that the studied embedding method works better for neon compared to hydrogen fluoride, which may be explained by the use of a two-body dispersion correction.

Utilizando a Dinâmica Molecular Tight Binding (TBMD), parametrizada para sistemas de carbono e hidrogênio, simulamos com condições periódicas de contorno e modelos de fatia, superfícies de diamante (100) puras e hidrogenadas em modelos de reconstruções ideais usualmente presentes na literatura, analisando o seu comportamento geométrico e eletrônico. Em seguida abordamos o comportamento morfológico e eletrônico, em simulações com temperaturas que variam entre 100K e 2000K de dois modelos de superfícies monohidrogenadas, que apresentam dois domínios em torno de uma estrutura de depressão local, característica de filmes de alta rugosidade. Em oposição à grande estabilidade térmica exibida pelo modelo monohidrogenado ideal e pelas colunas contínuas de dímeros, os modelos com depressão apresentaram significativa migração de átomos de hidrogênio para regiões subsuperficiais. Em nossas simulações os átomos de hidrogênio ficaram confinados nas regiões subsuperficiais, introduzindo uma desordem morfológica na superfície e nas regiões internas à fatia, induzindo estados eletrônicos nesta região, que levam ao fechamento do gap, passando a caracterizar uma fase quase-metálica. / By using the Tight Binding Molecular Dynamics (TBMD), parametrized to describe carbon and hydrogen atoms composed of systems, we apply periodic boundary conditions, slab models in order to simulate (100) clean and hydrogenated diamond surfaces. We study first the standard models used in the literature, analyzing their geometrical and eletronic behavior. We then focus on the morphological and electronic properties, in simulations under finite temperature dynamics ranging from 100K up to 2000K, of two distinct models of monohydride surfaces; Each model exhibits two distincts domains in the surface pattern characterized by a local depression, characteristic of rough surfaces. In opposition to the high thermal stability observed for ideal monohydrogenated surfaces and the extended dimer rows, these models showed an expressive hydrogen migration to the subsurface regions. In our simulations the hydrogen atoms remain in the subsurface regions, but introduce morphological disorder at the surface and in the slab internal regions. These hydrogen atoms induce electronic states mostly localized in the subsurface region, which are responsible for closing the gap, and leading the system to exhibit a quasi-metallic phase.

Orientador: Alexys Bruno Alfonso / Banca: Andrea Brito Latge / Banca: Jeverson Teodoro Arantes Junior / O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp / Resumo: São calculadas as estruturas eletrônicas de arranjos atômicos periódicos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais, através do método de combinação linear de orbitais atômicos (método tight binding). Esses orbitais correspondem aos átomos isolados das espécies químicas que compõem o arranjo atômico sob investigação. Combinações lineares deles, com coeficientes apropriados, aproximam a forma das funções de onda eletrônicas do arranjo atômico. Nos casos em que a sobreposição dos orbitais é desprezada, a contribuição de cada orbital atômico para função de Bloch é mostrada nas representações gráficas das estruturas de bandas calculadas. Após uma brve apresentação do método tight binding, são calculadas as estruturas de bandas de cadeias lineares de átomos de Carbono que têm um ou dois átomos por célula unitária. Essas cadeias são chamadas de cumuleno e poliino, respectivamente. Dentre os arranjos atômicos bidimensionais de interesse, é calculada a estrutura de bandas do grafeno. Essas energias são comparadas com resultados disponíveis na literatura. Para este material é realizada uma breve discussão sobre as bandas 'pi' provenientes de orbitais 'p IND. z' e sobre como a sobreposição dos orbitais atômicos afeta a forma das bandas. O método também é aplicado na modelagem de cristais tridimensionais. São calculadas as estruturas de bandas doo diamante, Germânio (com estrutura de diamente), Arseneto de Gálio (com estrutura zincblend) e Nitreto de Gálio (com estrutura de wurtzita). Os resultados obtidos são comparados com aqueles reportados por outros autores que usaram métodos ab initio / Abstract: The eletronic structures of periodic arrangements of atoms in one, two and three dimensions are calculated by a linear combinations of atomic orbitals (tight binding method). Those orbitals correspond to the isolated atoms of the chemical species composing the atomic arrangement under investigation. Suitable linear combinations of such states approximate the shape of the eletronic wave functions of the atomic arrangement. When the overlapping of the atomic orbitals is disregarded, the contribution of each orbital to the Bloch state is displayed in the graphs of the band structures. After a brief description of the tight binding method, the band structures of linear chains of Carbon atoms are calculated. The cases of one and two atoms per unit cell are considered. They correspond to cumulene and polyyne, respectively. Among the two-dimensional atomic arrangements of interest, we focus the calculation of the band structure of graphene. The calculated bands are compared with available results. Some attention is devoted to the 'pi' bands associated to the 'p IND. z' orbitals is presented. The effects of the overlapping of the atomic orbitals are discussed. The method is also applied to model three-dimensional crystels. The band structures of diamong, germanium (with diamond structure), Gallium Arsenide (with zincblende structure) and Gallium Nitride (with wurtzite structure) are obtained. The results are compared with those reported by other authors who applied ab initio methods / Mestre

Nanoporous carbons are among the widely studied and promising materials on hydrogen storage for on-board vehicles. However, the nature of nanoporous carbon structures, as well as the relationship between local structure and hydrogen adsorption are still unclear, and hinder the design of carbon materials for optimum hydrogen storage. This dissertation presents a systematic modeling effort of hydrogen storage in nanoporous carbon materials. Tight binding molecular dynamics simulations are utilized to simulate the amorphous carbons over a wide range of density. The resulting structures are in good agreement with experimental data of ultra-microporous carbon (UMC), a wood-based activated carbon, as indicated by a comparison of the microstructure at atomic level, pair distribution function, and pore size distribution. To estimate gas adsorption in complex geometries, an efficient numerical algorithm (based on a continuum gas adsorption model) is developed for calculating the gas uptake at room temperature and moderate pressures. This algorithm is a classical approximation of the quantum mechanical model by Patchkovskii et al.1 and proven to be much faster than other commonly used methods. The gas adsorption calculations in carbon structures from tight-binding simulations demonstrate both a promising hydrogen storage capacity (1.33 wt% at 298K and 5 MPa) and a reasonable heat of adsorption (12-21 kJ/mol). To our knowledge, this is the first work to directly calculate hydrogen adsorption capacity in amorphous carbon. This work demonstrates that increasing the heat of adsorption does not necessarily increase the hydrogen uptake. In fact, the available adsorption volume is as important as the isosteric heat of adsorption for hydrogen storage in nanoporous carbons.

Los métodos kp y tight-binding, que inicialmente fueron diseñados para predecir las propiedades del sólido extendido, han sido adaptados para describir las propiedades optoelectrónicas de nanoestructuras semiconductoras. El Hamiltoniano kp de 4 bandas para huecos y la ecuación de masa efectiva en el modelo de 1 banda para electrones se han discretizado en coordenadas cilíndricas, con el objetivo de estudiar los efectos de la aplicación de un campo magnético sobre el espectro energético de los nanocristales y las propiedades colectivas en sistemas de puntos cuánticos acoplados. Entre los resultados obtenidos cabe destacar que el acoplamiento entre nanocristales con topología de antidot provoca una importante estabilización energética de la minibanda fundamental, la cual permanece inalterada frente a la acción de un campo magnético.El modelo tight-binding de primeros vecinos que se ha implementado utiliza una base sp3s* para describir cada átomo del nanocristal. Este modelo atomista permite la descripción detallada de la estructura óptica fina de los nanocristales. Se ha evidenciado que los espectros teóricos de absorción con luz polarizada en la dirección z permiten discriminar entre geometrías que la microscopía electrónica no es capaz de discernir.

The structural and electronic properties of small tungsten nanoparticles Wn (n=2-16) were investigated by density functional theory (DFT) calculation. For the W10 nanoparticle, ten lowest-energy structures were first obtained by basin-hopping method (BH) and ten by big-bang method (BB) with the tight-binding many-body potential for bulk tungsten material. These fifty structures were further optimized by the DFT calculation in order to find the better parameters of tight-binding potential adquately for W nanoparticles. With these modified parameters of tight-binding potentials, several lowest-energy W nanoparticles of different sizes can be obtained by BH and BB methods and then further refined by DFT calculation. According to the values of binding energy and second-order energy difference, it reveals that the structure W12 has a relatively higher stability than those of other sizes. The vertical ionization potential (VIP), adiabatic electron affinity (AEA) and HOMO-LUMO Gap are also discussed for W nanoparticles of different sizes.