Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we study the interaction of carbon monoxide with semiconducting (8,0)carbon nanotube through a first principles theoretical approach. Using density functional theory based methods, we show that radial deformation
produces alterations in the band structure of the nanotubes, with a monotonically decreasing energy gap as the tube is deformed. Such deformation modifes the
electronic population of the orbitals, leading to an increasing in charge density in the most curved regions, augmenting the chemical reactivity in such regions. We
show that the process is reversible and follows the classical laws of elasticity, where total energy is a quadratic function of the parameter є. We study the energetic, structural and electronic properties of carbon nanotubes substitucionally doped by silicon. We show that the sistem is stable, with formation energy 2,96 eV, and semiconducting with energy gap of 0,57 eV, presenting an unnocupied level 0,24 eV bellow the conducting band bottom. The charge density of that orbital points to a highly reactible site over the dopant. The interaction of carbon nanotubes with carbon monoxide was simulated through
the analisis of several initial configurations, where molecule occupies different sites over the surface of the tube. In regular non-deformed nanotubes, the analisis of the band structure, orbital population and state and charge densities indicates no interaction between molecule and tube, whereas in deformed and/or doped nanotube a
covalent bond is formed for at least one surface site.
In є = 0; 3 deformed nanotubes and silicon doped regular nanotubes the moleculetube binding energy is 0,51 eV. The adsorption modifes the band structure in such a way the originally metallic system turns a semicondutor with energy gap of 0,36 eV. In doped nanotubes, the interaction induces a redution in the energy gap to 0,36 eV.
Finally, we analise the effects over carbon monoxide adsorption of simultaneous radial deformation and silicon doping. The binding energy is 0,53 eV, the largest
among the studied sistems. The adsorption leads to an energy gap of 0,08 eV. The process has total formation energy of 5,83 eV, by far the less energetically favorable.
As a complementary result, we show that deformed nanotubes with a single vacancy present new chemical and physical properties, and we analise the dependence of such characteristics with the order where the process ocurres, both deformation followed by vacancy creation and vacancy creation followed by radial deformation. / Nesta Dissertação estudamos a interação de monóxido de carbono com nanotubos de carbono (8,0) semicondutores através de uma abordagem teórica de primeiros princípios. Utilizando métodos baseados na teoria do funcional da densidade, mostramos que a deformação radial produz alterações no espectro de bandas de nanotubos, com gap de energia que decresce monotonicamente à medida que o tubo é deformado, podendo, inclusive, haver o cruzamento das bandas de valência e condução. A
deformação modifica a população eletrônica dos orbitais, provocando um aumento na densidade de carga nas regiões de maior curvatura da superfície, o que, por sua
vez, incrementa a reatividade química nessas regiões. Mostramos que o processo de deformação é reversível e obedece às leis clássicas da elasticidade, onde energia total
é uma função quadrática do parâmetro de deformação є.
Estudamos as propriedades energéticas, estruturais e eletrônicas de nanotubos de carbono dopados substitucionalmente com silício. Mostramos que o sistema é
estável, com energia de formação de 2,96 eV e semicondutor com gap de energia de 0,57 eV, apresenta um nível desocupado 0,24 eV abaixo do fundo da banda de
condução. A análise da densidade de carga eletrônica deste orbital aponta para a existência de um sítio de alta reatividade química sobre o dopante. A interação dos nanotubos de carbono com monóxido de carbono foi simulada
através da análise de uma série de confiurações iniciais, nas quais a molécula ocupa diferentes sítios sobre a superfície do tubo. Em nanotubos de carbono regulares, a análise do espectro de bandas, da população orbital e das densidade de estado e carga indicam que não ocorre interação química entre molécula e tubo, enquanto em nanotubos deformados e/ou dopados uma ligação covalente é formada em pelo
menos um sítio da superfície. Em nanotubos deformados até є = 0; 3 e em nanotubos regulares dopados com silício, a energia de ligação molécula-tubo é 0,51 eV. A adsorção de monóxido de carbono em nanotubos deformados modifica o espectro de bandas, de modo que o sistema originalmente metálico se torne semicondutor de gap 0,36 eV. Em nanotubos
dopados, a interação com monóxido de carbono provoca a redução do gap de energia do espectro de bandas para 0,36 eV. Finalmente, analisamos os efeitos de deformação radial e dopagem com silício em um mesmo tubo sobre a adsorção de monóxido de carbono. A energia de ligação é 0,53 eV, a maior entre os sistemas estudados, e a adsorção leva ao reaparecimento de um gap de energia de 0,08 eV. O processo de deformação radial seguido de dopagem substitucional têm energia de formação total de 5,83 eV e, dos sistemas estudados, é o menos favorável energeticamente.
Como resultado complementar, mostramos que nanotubos deformados com uma vacância apresentam novas propriedades físicas e químicas, e analisamos dependência
destas características com a ordem do processo (deformação-formação de vacância ou forma de vacância-deformação).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/9177 |
| Date | 08 October 2004 |
| Creators | Silva, Leandro Barros da |
| Contributors | Mota, Ronaldo, Fazzio, Adalberto |
| 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, 500, f91ca128-36e7-4eab-95f7-25d7d3eb935f, 4b97cc53-4b78-4e48-9033-be11501ba3a6, 8fbc81d9-1194-4d69-8fe3-a8aa9d9d235f |
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