Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / We use first principles calculations based upon the density functional theory to
investigate the stability, geometry, electronic and magnetic properties of cibic silicon
carbide (SiC) surfaces aligned along the (001) direction (β−SiC(001)) and nanoribbons
(SiCNRs). The β−SiC(001) can be terminated in C or Si. For both terminations
a great number of possible reconstruction are studied. To study the stability of the
β−SiC(001) surface the formation energy is calculated, which shows that the two terminations
(C or Si) have similar stability. Surfaces states are find in the bandgap for
the two possible terminations. These surfaces states rule the electronic properties
of the β−SiC(001) surface, which present metallic or semiconductor characteristics
depending on the surface reconstruction.
Aiming to saturate the dangling bonds and functionalize the C terminated β−
SiC(001) surface, H atoms are adsorbed in the most stable configuration: the β−
SiC(001) in the c(2x2) reconstruction where there are C dimers aligned in row and
column. First we observe that the H adsorption is exothermic, indicating to a greater
stability of the β−SiC(001) surface. Increasing the number of adsorbed H atoms (up
to the third layer) we observe the formation of a nanotunnel structure. There tunnels
are stable and small cavities present in the subsurface of the β−SiC(001). The semiconductor
character of the β−SiC(001) in the presence of nanotunnels is preserved.
The top of the valence band and of the boton of the band are surface states localized
in hydrogenated C dimers near to the nanotunnel. Adsorbing Fe atoms on the
β−SiC(001) surface we observe that the electronic and magnetic properties of the
β−SiC(001) surface are strongly modified. There is a strong magnetic moment localized
in Fe atoms adsorbed on the β−SiC(001) surface, which can present metallic
or half metallic characteristics. The antiferromagnetic (AFM) interaction between the
magnetic moments is favorable when compared to the ferromagnetic (FM) interaction.
The electronic and magnetic properties of SiCNRs depend on the border structure.
The SiCNRs terminated by H atoms and with armchair borders are semiconductor
and no magnetic. Whereas the electronic and magnetic properties of SiCNRs
terminated by H atoms and with zigzag border depend on the ribbon width and can
be metallic or semiconductor. For pristine zigzag SiCNRs, the ferrimagnetic interaction
between the borders is the ground state. The adsorption of Fe (atom and dimer)
on a SiC sheet give rise to new electronic levels inside the bandgap and lead the SiC
sheet to shows magnetic properties. The magnetic moment for Fe adsorbed on a SiC
sheet is 2 μB and 6 μB, for a Fe atom or dimer adsorbed, respectively. The adsorption
of Fe structures (atoms and dimers) on the SiCNRs is more stable near the borders
of the ribbon. Depending on the Fe coverage and the magnetic interactions we can
obtain, metallic, half-metallic, semiconductor or even a spin gapless semiconductor
(SGS). These results show that functionalized SiC nanostructures are important materials
for nanodevices. / Utilizando cálculos de primeiro princípios dentro do formalismo da teoria do
funcional da densidade (DFT) realizou-se um estudo da estabilidade, geometria, propriedades
eletrônicas e magnéticas de superfícies de carbeto de silício (SiC) cúbica
alinhada ao longo da direção (001) (β−SiC(001)) e nanofitas de SiC. A superfície
β−SiC(001) apresenta dois tipos de terminação: terminação em C ou em Si. Para
cada terminação (C ou Si) foi estudado um grande número de reconstruções possíveis.
No estudo da estabilidade da superfície β−SiC(001) calculamos a energia
de superfície, que mostrou que as duas terminações (C ou Si) apresentam similar
estabilidade. Para as duas terminações a análise das propriedades eletrônicas mostra
que estados de superfície estão presentes no gap. Estes estados de superfície
regem as propriedades eletrônicas da β−SiC(001) que apresentam comportamento
metálico ou semicondutor, dependendo da reconstrução.
Com o objetivo de saturar as ligações pendentes na superfície e ao mesmo
tempo funcionalizar a superfície, efetuamos o estudo da hidrogenação da superfície
β−SiC(001) terminada em C e na reconstrução mais estável que é a c(2x2),
onde linhas e colunas de dímeros de C estão presentes. Inicialmente observamos
que a adsorção de H é exotérmica indicando uma maior estabilidade da superfície
β−SiC(001) hidrogenada. Aumentando o número de H adsorvido (hidrogenação até
a terceira camada) foi possível mostrar a formação de nanotúnel na superfície. Os
nanotúneis são pequenas cavidades presentes na subsuperfície da β−SiC(001). Na
presença dos nanotúneis o carácter semicondutor é preservado.
Com adsorção de átomos de Fe na β−SiC(001) as propriedades eletrônicas
e magnéticas são fortemente influenciadas. Existe a presença de um forte momento
magnético localizados nos átomos de Fe adsorvidos na β−SiC(001), que pode apresentar
características metálicas ou meio-metálicas. A interação entre os momentos
magnéticos favorece a uma interação do tipo antiferromagnética (AFM) se comparada
com a interação do tipo ferromagnética (FM).
As propriedades eletrônicas e magnéticas das nanofitas de SiC (SiCNFTs) são
dependentes das bordas. As SiCNFTs terminadas em H e com bordas armchair são
semicondutoras não magnéticas. No entanto, as propriedades eletrônicas e magnéticas
das SiCNFTs terminadas em H e com bordas zigzag dependem da largura da
fita e podem ser metálicas ou semicondutoras. Para as SiCNFTs na forma pristina, o
estado fundamental ocorre quando há uma interação do tipo ferrimagnética entre as
bordas.
A adsorção de Fe (átomo e dímero) em uma folha de SiC faz com que novos
níveis eletrônicos estejam presentes no gap e a folha de SiC apresenta propriedades
magnéticas. O momento magnético para o átomo de Fe adsorvido sobre a folha de
SiC é de 2 μB e para um dímero de Fe adsorvido este momento magnético é de 6 μB.
A adsorção de Fe (átomo ou dímero) sobre as SiCNFTs é mais estável nas bordas
das fitas. Dependendo da cobertura de Fe e das interações magnéticas podemos
obter metais, meio-metais, semicondutores ou mesmo semicondutores com polarização
de spin e gap nulo (SGS). Estes resultados mostram que nanoestruturas de SiC
funcionalizadas são importantes materiais para nanodispositivos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3926 |
| Date | 24 October 2014 |
| Creators | Rosso, Eduardo Fuzer |
| Contributors | Baierle, Rogério José, Mota, Fernando de Brito, Schelp, Luiz Fernando, Villetti, Marcos Antonio, Miwa, Roberto Hiroki |
| 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/doctoralThesis |
| 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, 300, 500, 300, 300, 300, 300, b9eaf9d0-56e3-4101-a0a4-9cdee08d2a3a, a805eb4d-ec2d-456c-8495-b799ba8d2930, 60e78ea9-fe71-444a-8c47-f3b1114648b0, 282472c7-7b75-4441-a214-98925bd11125, 8437eadf-3a57-4c40-ac38-2583cb529b98, 185be2cb-8e50-49fe-9bdb-b8426e323674 |
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