Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Boron nitride (BN) is a compound formed by covalent bonds between boron
and nitrogen atoms. In the crystalline phase it can be found in different structures,
such cubic (c-BN), simgle hexagonal (h-BN), wurtzite (w-BN) and rhombohedral (r-
BN). Similarly to graphite h-BN can form two dimensional structures, which can be cut
to form tubes. Otherwise, c-BN has hardness similar to diamond, which is retained
up to 2000 °C while diamond turns into to graphite at about 900 °C. These properties
make BN a promissor material for nanoelectronics in a hot environment. Here, we
investigate structural and electronic properties of BN nanotubes. Our study is directed
not only to BN nanotubes in the pristine form (no defects), but also when topological
defects (vacancies) and dopant impurities (Carbon) are present. The first principles
calculations are based on the density functional theory with the generalized gradient
approximation for the exchange-correlation term. The calculations were performed
using the SIESTA computer code using gaussian functions to expand the Khon-Sham
orbitals. We observe that C impurities have low formation energies when compared
to vacancies have high formation energies. All the pristine BN nanotubes studied are
non magnetic semiconductor with a band gap energy around 3.5 eV, which is almost
independent of the tube chirality and diameter. Carbon impurities introduce localized
electronic levels into the band gap while vacancies give magnetic moments to the
BN nanotubes. Calculations for complex defects (carbon impurities and vacancies)
show that the formation of these complex defects have lower formation energies when
compared to the sum of the formation energies for isolated defects, indicating that
these defects have higher probability of occurring. Double vacancies have formation
energies close to those for single vacancies and in the equilibrium geometry, occurs
a reconstruction where a pentagon-octagon-pentagon (5−8−5) structure is present.
In the optimal geometry dangling bonds are not present and the magnetic moment is
zero, but non-spin-polarized electronic levels are present in the band gap. / O nitreto de boro (BN) é formado por ligações covalentes entre B e N. Na fase
cristalina pode ser encontrado nas diferentes estruturas: cúbica (c-BN), hexagonal
(h-BN), wurtzita (w-BN) e romboédrica (r-BN). Similar ao grafite, o h-BN pode formar
estruturas bidimensionais (planos ou camadas), as quais podem ser cortadas
formando tubos. O c-BN tem uma dureza semelhante à do diamante, que é mantida
até 2000 °C, enquanto que o diamante se desfaz em grafite a cerca de 900 °C. Estas
propriedades fazem do BN um material promissor para nanoeletrônica em ambientes
abrasivos. Neste trabalho, estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas de
nanotubos de BN. Nosso estudo é dirigido não só para os nanotubos de BN na forma
pristina (sem defeitos), mas também quando defeitos topológicos (vacâncias) e impurezas
(carbono) estão presentes. Os cálculos de primeiros princípios são baseados
na teoria do funcional da densidade (TFD) com a aproximação do gradiente generalizado
para o termo de troca-correlação (AGG). Utilizamos o código computacional
SIESTA com funções gaussianas para expandir os orbitais de Khon-Sham. Observamos
que as energias de formação para impurezas de carbono (C) são menores
que para vacâncias. Os nanotubos de BN na fase pristina estudados são semicondutores
não magnéticos com um gap de energia de cerca de 3,5 eV e praticamente
independente do diâmetro e da quiralidade do tubo. Impurezas de carbono introduzem
níveis eletrônicos localizados no gap enquanto que vacâncias geram momentos
magnéticos para os nanotubos de BN. Cálculos para defeitos complexos (impurezas
de C e vacâncias) mostram uma menor energia de formação quando comparados
com defeitos isolados, indicando maior probabilidade de ocorrer. Vacâncias duplas
têm energias de formação similares as de vacâncias simples e na geometria de equilíbrio
ocorre uma reconstrução onde uma estrutura pentágono-octógono-pentágono
(5−8−5) está presente. Não existem ligações pendentes e o momento magnético é
zero, mas níveis eletrônicos de spin não polarizados estão presentes no gap.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/9242 |
| Date | 15 July 2014 |
| Creators | Bevilacqua, Andressa da Cunha |
| Contributors | Baierle, Rogério José, Rossato, Jussane, Maziero, Jonas |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 500, 500, 300, 300, b9eaf9d0-56e3-4101-a0a4-9cdee08d2a3a, 2723ddcd-d30b-4baf-a343-9d01aaa8a300, 03241fa4-9cc6-4dd0-97d0-80b14730c62c, 6fd5a038-310c-4648-90ca-7299381d0aa7 |
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