Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This dissertation presents a theoretical study, based on density functional theory (DFT),
upon structural, electronic and optical properties of Bi4Ge3O12 (Bismuth germanate,
BGO) and Bi4Si3O12 (Bismuth silicate, BSO) compounds. As a computational tool it was
utilized Full Potential Linear Augmented Plane Wave Method (FPLAPW), implemented
into WIEN2k computer code and considered as one of the most precise tools for electronic
structure calculations of solid materials. Exchange and correlation e ects were simulated
by LDA, GGA-PBEsol, BJ, mBJ-original, mBJ P-present and mBJ P-semiconductor
functionals. Lattice parameters and all atomic positions within the BGO and BSO unit
cells were computationally optimized in order to reach minimum energy con guration.
The resulting structural parameters showed good agreement with experimental data. The
results of electronic structure calculations (band structure and density of electron states
DOS) were best tted to experiment while using the mBJ P-semiconductor functional.
They revealed a nature and size of the compound's fundamental band gaps, as well as
predominant orbital character of bands around it. According to the results, the BGO
and BSO have indirect fundamental gaps of 5.05 and 5.36 eV in excellent concordance
with the experimental value 5.0 eV (BGO) and 5.4 eV (BSO). For both compounds the
valence band top is dominated by the O 2p-states, with non-negligible amount of the Bi
6s-states, while the conduction band bottom is consisted mostly of the Bi 6p-states. This
work was also calculated dielectric function "(!) of the BGO and BSO, and its refractive
index n(!) and re
ectivity R(!). The best agreement with experimental data was again
achieved by using mBJ P-semiconductor functional. The analysis "(!) enabled interpretation
of optical absorption spectrum of BGO and BSO in terms of electronic transitions
between bands. The results showed that the greater
ow of energy transfer occurs 2p states
to the states of Bi 6p, which consists of the steps of the scintillation process in BGO
and BSO. Was concluded that experimental optical spectra of BGO and BSO exhibit
strong temperature dependency, and that theoretical results presented in this dissertation
describe con dently electronic and optical properties when measured at low temperatures. / Esta disserta c~ao apresenta um estudo te orico baseado no formalismo da Teoria do Funcional
da Densidade (DFT) sobre as propriedades estruturais, eletr^onicas e opticas dos
compostos: Bi4Ge3O12 (Germanato de Bismuto, BGO) e Bi4Si3O12 (Silicato de Bismuto,
BSO). Foi utilizado como m etodo de c alculo o \Full Potential Linear Augmented Plane
Waves"(FPLAPW), implementado no c odigo WIEN2k, considerado um dos mais precisos
m etodos para os c alculos de estruturas eletr^onicas dos s olidos cristalinos. Os efeitos de
troca e correla c~ao eletr^onica foram simulados atrav es dos potenciais LDA, GGA-PBEsol,
BJ, mBJ original, mBJ P-presente e mBJ P-semicondutores. Os par^ametros de rede e as
posi c~oes at^omicas nas c elulas unit arias do BGO e BSO foram otimizadas, a m de atingir
uma con gura c~ao de m nima energia possiv el. Os resultados obtidos para os par^ametros
de rede e das posi c~oes at^omicas, de ambos os compostos, mostraram boa concord^ancia
quando comparados com medidas experimentais. Os c alculos da estrutura eletr^onica (estrutura
de bandas e densidade de estados eletr^onicos, DOS) exibiram melhor concord^ancia
com a experi^encia quando o potencial mBJ P-semicondutor foi utilizado. Eles revelaram a
natureza e o tamanho dos gaps fundamentais dos compostos, bem como o car ater orbital
predominante por volta destes. De acordo com os resultados, o BGO e BSO possuem
gaps fundamentais indiretos de 5.05 e 5.36 eV em excelente concord^ancia com os valores
experimentais 5.0 eV (BGO) e 5.4 eV (BSO). O topo da banda de val^encia em ambos os
compostos e dominada por estados 2p do O, com uma parcela n~ao desprez vel dos estados
6s do Bi, j a o fundo da banda de condu c~ao e formada por estados 6p do Bi. Neste trabalho
tamb em foi calculada a fun c~ao diel etrica "(!) do BGO e BSO, bem como os seus ndices
de refra c~ao n(!) e re
etividade R(!). A melhor concord^ancia com os dados experimentais
foi novamente atingida utilizando o funcional mBJ P-semicondutor. A an alise da "(!)
possibilitou a interpreta c~ao do espectro de absor c~ao optica do BGO e BSO em termos das
transi c~oes eletr^onicas entre as bandas. Os resultados revelaram que o
uxo maior de tranfer^
encia de el etrons ocorre dos estados 2p de O para os estados 6p do Bi, o qual consiste
uma das etapas do processo de cintila c~ao no BGO e BSO. Foi conclu do que os espectros
opticos determinados experimentalmente exibem forte depend^encia com a temperatura, e que os resultados te oricos obtidos nessa disserta c~ao descrevem bem as propriedades
opticas e eletr^onicas do BGO e BSO quando medidos em baixas temperaturas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:ri.ufs.br:riufs/5361 |
| Date | 16 February 2016 |
| Creators | Sousa, Osmar Machado de |
| Contributors | Lalic, Milan |
| Publisher | Universidade Federal de Sergipe, Pós-Graduação em Física, UFS, Brasil |
| 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 UFS, instname:Universidade Federal de Sergipe, instacron:UFS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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