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Previous issue date: 2017-02-23 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In the present work, we use first-principles calculations based Density Functional Theory, as
implemented in the SIESTA and SIESTA-TRUNK, which takes into account the Van der waals
interactions, codes, to investigate the stability and electronic properties of graphene monolayers
with a nanodomain of hexagonal boron nitride (h-BN) with different shapes and sizes. These
heterostructures can be obtained through graphene growing in atomic layers of h-BN lithographically
patterned and sequential chemical vapour deposition, so that its possible to construct
nanodomains of h-BN with an shape or size in graphene.
First we will study the effects, in stability, magnetic and electronic properties, of the adsorption
of one and two atoms of hydrogen in the edges of the h-BN nanodomain. The alterations that
occur in graphene heterostructures with circular h-BN nanodomains, with the same number of
boron and nitrogen atoms, and with triangular form with boron terminated edges, where there
are more boron atoms than nitrogen atoms, and with nitrogen terminated edges, where there
are more nitrogen atoms than boron atoms, this way we can study the effects of hydrogen adsorption
in systems with the same number of electrons and holes, with holes in excess and with
electrons in excess, respectively. We observe that the electronic and magnetic properties are
influenced by the type of atom on which the the hydrogen atom is adsorbed. Besides that, we
show that the heterostructures with triangular shaped nanodomains are more stable.
Then we study the stability, electronic properties and the effects of perpendicular strain in hybrid
bilayers using the GGA and VDW-DF approximations for the exchange-correlation functional.
Initially we study bilayer composed of graphene monolayers with a B3N3 nanodomain
in hexagonal shape and stacked in various different configurations. We realized that the Bernal
stacking configuration (graphite-like) is more stable when compared to the others. Besides that,
we could see that the ideal interlayer distance is smaller when we do the calculations with the
VDW-DF approximation than when we use the GGA approximation. We study the effect of
perpendicular strain, represented by the variation of the interplanar distance, only in the structure
which showed to be more stable and, we verify that, the strain is capable of opening the
energy gap in the system. In our analyses we also noticed that the band structures of the systems
are the same independent of the approximation.
Lastly we make a study on the stability, electronic properties and the effects of strain in hybrid
bilayers with different geometries. We use the VDW-DF approximation for the exchangeABSTRACT
vii
correlation functional. The geometries of the h-BN nanodomains, present in each monolayers,
are B12N12 in circular shape, B10N6 and B6N10 in triangular shape, we study various combinations
of these monolayers in a bilayer system. We found that the Bernal form of stacking has
shown to be more stable in all studied configurations and the the interaction between monolayers
tends to decrease the energy gap of the system. We analyse the effect of strain onl y in
the configuration that has shown to be more stable e we verify that the perpendicular strain is
capable of opening the energy gap of the bilayer. / No presente trabalho, usamos cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional
da Densidade, como implementado no código SIESTA e SIESTA-TRUNK, que leva em conta
as interações de Van derWaals, para investigar a estabilidade e propriedades eletrônicas de monocamadas
de grafeno com um nanodomínio de nitreto de boro hexagonal (h-BN) de diferentes
formas e tamanhos. Estas heteroestruturas podem ser obtidas através do crescimento de grafeno
em camadas atômicas de h-BN litograficamente padronizado e deposição química de vapor senquencial,
de modo que pode-se construir nanodomínios de h-BN no grafeno de qualquer forma
ou tamanho desejado. Em primeiro lugar, vamos estudar os efeitos na estabilidade, propriedades
eletrônicas e magnéticas, da adsorção de um ou dois átomos de hidrogênio nas bordas do
nanodomínio de h-BN. As alterações que ocorrem em heteroestruturas de grafeno com nanodomínios
de h-BN em formato circular, com o mesmo número de átomos de boro e nitrogênio,
e de forma triangular com bordas terminadas em boro, onde há mais átomos de boro do que de
nitrogênio, e com bordas terminadas em nitrogênio, onde há mais átomos de nitrogênio do que
de boro, dessa forma estudamos o efeito da adsorção de hidrogênio em sistemas com o mesmo
número de elétrons e buracos, com excesso de buracos e com excesso de elétrons respectivamente.
Observamos que as propriedades eletrônicas e magnéticas são influenciadas pelo tipo de
átomo no qual o átomo de hidrogênio é adsorvido. Além disso mostramos que as estruturas com
nanodomínios de formato triangular são mais estáveis. Em seguida estudaremos a estabilidade,
propriedades eletrônicas e os efeitos do strain perpendicular em bicamadas híbridas utilizando
as aproximação GGA e VDW-DF para o funcional de troca e correlação. Inicialmente estudamos
bicamadas compostas por monocamadas de grafeno com um nanodomínio de B3N3 em
formato hexagonal e empilhadas em várias configurações diferentes. Percebemos que a configuração
de empilhamento Bernal (tipo grafite) é mais estável quando comparada com as outras.
Além disso, pudemos ver que a distância interplanar ideal é menor quando fazemos os cálculos
usando a aproximação VDW-DF do que quando usamos a aproximação GGA. Nós estudamos
o efeito do strain perpendicular, representado pela variação da distância interplanar, somente na
estrutura que se mostrou mais estável e, verificamos que, o strain é capaz de abrir um gap de
energia no sistema. Em nossas análises percebemos também que as estruturas de bandas dos
sistemas são as mesmas independente da aproximação usada. Por último realizamos um estudo
da estabilidade, propriedades eletrônicas e os efeitos do strain em bicamadas híbridas com diRESUMO
v
ferentes geometrias. Usamos a aproximação VDW-DF para o funcional de troca e correlação.
As geometrias dos nanodomínios de h-BN, presentes em cada monocamada, são B12N12 em
formato circular, B10N6 e B6N10 em formato triangular, estudamos diversas combinações dessa
monocamadas em sistemas de bicamadas. Encontramos que a forma de empilahmento Bernal
se mostra mais estável em todas as configurações estudadas e que a interação entre monocamadas
tende a diminuir o gap de energia do sistema. Analisamos o efeito do strain somente na
configuração que se mostrou mais estável e verificamos que o strain perpendicular é capaz de
abrir o gap de energia da bicamada.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.biblioteca.ufpb.br:tede/9828 |
| Date | 23 February 2017 |
| Creators | Silva, Thiago de Souza |
| Contributors | Azevedo, Sérgio André Fontes |
| Publisher | Universidade Federal da Paraíba, Programa de Pós-Graduação em Física, UFPB, Brasil, 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:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB, instname:Universidade Federal da Paraíba, instacron:UFPB |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | -8949983414395757341, 600, 600, 600, 600, -6618910597746734213, -8327146296503745929, 2075167498588264571 |
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