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Previous issue date: 2015-03-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In the present work, we use first-principles calculations based on density functional theory, as
implemented in the SIESTA code, to investigate the changes in the structural and electronic properties
of the carbon, BN, and hybrid BxCyNz nanotubes produced by one or two of the following
mechanisms: doping with carbon atoms, the application of external electric fields, by flattening
of the cross section, the encapsulation of a carbon nanowire or the adsorption of hydrogen atoms
(hydrogenation).
We start with the study of double-walled boron nitride nanotubes (DWBNNTs), zig-zag and
armchair, doped with carbon atoms, with chiral vectors (8,0)@(16,0) and (5,5)@(10,10), respectively.
Two types of doping were considered: one C atom substituting a B atom on the inner
wall (IW) and one C atom substituting a N atom on the outer wall (OW), which we call of
CB[IW]@CN[OW], and the opposite situation results in CN[IW]@CB[OW]. In this sense, we generate
a (type-p semiconductor)@(type-n semiconductor) and a (type-n semiconductor)@(type-p semiconductor),
where the resulting DWBNNTs can be thought of as p-n junctions. At the same time,
we apply an external electric field, with magnitude of 0,3 V/Å, in different directions, namely,
perpendicular (Ey), parallel (Ex), and antiparallel (Ex) to the line formed by the dopants. Thus,
depending on the direction of the applied field, we observe an increase or decrease in the band
gap energy between the defect levels (Eig), and such cases are related to the reverse and direct
polarization of the p-n junction, respectively.
Afterwards, we study the insertion of a carbon nanowire (CNW) inside a (10.0) zigzag carbon
nanotube and inside a (10.0) zig-zag BN nanotube. Such systems were called CNW@SWCNT and
CNW@SWBNNT, respectively. We produce the flattening of the nanotubes and verify the behavior
of the atomic structure of the nanowire as the flattening of the nanotube increases. From the
obtained results, it was possible to conclude that, for both CNW@SWCNT and CNW@SWBNNT,
there is a critical distance dc (distance between the parallel planes of the flattened nanotubes (d)),
with the value of 3.60 Å, so that we can summarize our findings as follows: in the case d > dc,
the carbon nanowire does not undergo any deformation; and in the reverse case (d < dc), the carbon
nanowire binds to the wall of the nanotube and undergoes deformations. Regarding the electronic
properties, we verify that the encapsulation of the CNW inside the SWCNT and SWBNNT, produces
a significant reduction of the band gap energy (Eg) of such systems. Moreover, we observe
ABSTRACT viii
the creation of Dirac points for some flattening ratios of the nanotubes.
Finally, we carry out a study on the adsorption of hydrogen atoms (hydrogenation) on the surface
of double-walled boron nitride nanotubes (DWBNNTs) and hybrid nanotubes of boron nitride
and carbon (DW(BN)xCyNTs). Due to the fact that the nanotubes have two walls, we consider the
following cases: (i) coverages of 2H, 4H, 8H, 12H, and 16H on the inner wall, (ii) coverages of
2H, 4H, 8H, 16H, and 32H on the outer wall, and (iii) coverages of 2H, 4H, 8H, 16H, and 32H on
both walls. Curiously, we find that for all hydrogen coverages considered, a strong deformation
occurs in the hydrogen regions, causing the cross section of the nanotubes take different polygonal
shapes: ellipsoidal, rectangular, hexagonal or octahedral. For coverages of 16H and 32H only on
the outer wall, we observe that some hydrogens desorbed from the wall forming isolated H2 molecules
without preferential orientation. We verify that, in some cases, the bond angles between
the B, N and H or C and H atoms exhibit characteristics of the sp3 hybridization. Regarding the
structural stability, we verify that the adsorption of H atoms in DWBNCNTs is more favorable
than in DWBNNTs. Moreover, we conclude that is possible to control the band gap energy of the nanotubes through the hydrogen coverage. / No presente trabalho, usamos cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional
da Densidade, como implementado no código SIESTA, para investigarmos as alterações nas
propriedades estruturais e eletrônicas de nanotubos de carbono, de BN e híbridos BxCyNz, produzidas
por um ou dois dos seguintes mecanismos: dopagem com átomos de carbono, aplicação de
campos elétricos externos, pelo achatamento da secção transversal, encapsulamento de um nanofio
de carbono ou pela adsorção de átomos de hidrogênio (hidrogenação).
Iniciamos com o estudo de nanotubos de nitreto de boro de parede dupla (DWBNNTs), zig-zag
e armchair, dopados com átomos de carbono, com vetores quirais (8,0)@(16,0) e (5,5)@(10,10),
respectivamente. Duas situações de dopagem foram consideradas: um átomo de C substituindo um
átomo de B na parede interna (IW) e um átomo de C substituindo um átomo de N na parede externa
(OW) a qual chamamos de CB[IW]@CN[OW], e a situação oposta resulta em CN[IW]@CB[OW]. Neste
sentido, construímos um (semicondutor do tipo-p)@(semicondutor do tipo-n) e um (semicondutor
do tipo-n)@(semicondutor do tipo-p) onde os DWBNNTs resultantes podem ser pensados como
junções p-n. Paralelamente, aplicamos um campo elétrico externo, com magnitude de 0,3 V/Å, em
diferentes direções, a saber, perpendicular (Ey), paralelo (Ex) e anti-paralelo (Ex) a linha formada
pelos dopantes. Assim, dependendo da direção do campo aplicado, observamos um aumento ou
diminuição do gap de energia entre os níveis de defeitos (Eig) e tais casos estão relacionados a
polarização reversa e direta da junção p-n, respectivamente.
Em seguida, estudamos a inserção de um nanofio de carbono (CNW) no interior de um nanotubo
de carbono e de BN, ambos com vetor quiral (10.0). Tais sistemas foram chamados de
CNW@SWCNT e CNW@SWBNNT, respectivamente. Nós produzimos o achatamento dos nanotubos
e verificamos o comportamento da estrutura atômica do nanofio a medida que o achatamento
do nanotubo aumenta. A partir dos resultados obtidos, foi possível concluir que para ambos
os CNW@SWCNT e CNW@SWBNNT, existe uma distancia crítica dc (distância entre os planos
paralelos dos nanotubos achatados (d)), com um valor de 3.60 Å, de tal forma que nós podemos
resumir as nossas descobertas como: no caso de d > dc, o nanofio de carbono não sofre nenhuma
deformação; e no caso reverso (d < dc), o nanofio de carbono liga-se a parede do nanotubo e sofre
deformações. Em relação as propriedades eletrônicas, verificamos que o encapsulamento do CNW
nos SWCNT e SWBNNT, produz uma significativa redução do gap de energia (Eg) de tais sisteRESUMO
vi
mas. Além disso, observamos a formação de pontos de Dirac para algumas taxas de achatamento
dos nanotubos.
Por último, nós realizamos um estudo da adsorção de átomos de hidrogênio (hidrogenação)
sobre a superfície de um nanotubo de parede dupla de nitreto de boro (DWBNNTs) e um nanotubo
híbrido de nitreto de boro e carbono (DW(BN)xCyNTs). Devido ao fato dos nanotubos possuírem
duas paredes, consideramos os seguintes casos: (i) coberturas de 2H, 4H, 8H, 12H e 16H na parede
interna, (ii) coberturas de 2H, 4H, 8H, 16H e 32H na parede externa e (iii) coberturas de 2H, 4H,
8H, 16H e 32H em ambas as paredes. Curiosamente, verificamos que em todas as coberturas de
hidrogênio consideradas, uma forte deformação ocorre nos locais de hidrogênio, fazendo a secção
transversal dos nanotubos se transformar em diferentes formas poligonais: elipsoidal, retangular,
hexagonal ou octaedral. Para coberturas de 16H e 32H apenas na parede externa, observamos que
alguns hidrogênios se dessorveram da parede formando moléculas de H2 isoladas sem orientação
preferencial. Verificamos que em alguns casos, os ângulos de ligação entre os átomos de B, N e H
ou C e H exibem características da hibridação sp3. Com relação a estabilidade estrutural, verificamos
que a adsorção de átomos de H em DWBNCNTs é mais favorável do que em DWBNNTs.
Ademais, concluímos que é possível controlar o gap de energia dos nanotubos através da cobertura
de hidrogênio.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.biblioteca.ufpb.br:tede/9518 |
| Date | 06 March 2015 |
| Creators | Freitas, Aliliane Almeida de |
| 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 | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| 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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