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Type: Trabalho de Conclusão de Curso
Title: Estudo de propriedades estruturais e mecânicas de cristais de silício dopados com carbonos via simulações atomísticas
Author: Silva, Lorran Tesch da
First Advisor: Sato, Fernando
Referee Member: Rizzuti, Bruno Ferreira
Referee Member: Ludwig, Valdemir Eneias
Resumo: Ao longo dos últimos anos, o silício tem sido cotado como possível substituto para o grafite presente nos ânodos de baterias de íon-lítio, demonstrando uma excelente capacidade e eficiência energética. Porém, sua implementação se torna uma tarefa difícil devido expansão no volume do cristal ocasionada pela litiação no processo de carga e descarga da bateria. Esse processo gera um alto estresse mecânico na estrutura, impedindo sua reutilização, sendo algo insustentável para uma bateria. Em um estudo recente, foi proposta a dopagem em cristais de silício com átomos de alumínio, boro, carbono, fosforo e nitrogênio de forma substitucional a fim de aumentar a resistência mecânica do cristal de silício. Para isso, foi estudado o comportamento da energia de coesão e bulk modulus através de simulações com o método DFT. Dentro desse estudo, a dopagem com átomos de carbono e nitrogênio foram as responsáveis pelos melhores resultados. Em outro estudo, foi observado que a direção [110] do cristal de silício era responsável pela rápida difusão dos íons de lítio na estrutura, levando a sua expansão volumétrica. Logo, além do estudo da resistência a variação do volume, se mostra necessário uma observação cautelosa perante a expansão linear dos cristais com dopantes substitucionais. Nosso trabalho visa ampliar o estudo sobre cristais de silício com dopantes substitucionais de carbono, utilizando uma metodologia que nos permita a inclusão de um número maior de partículas, sem gerar um custo computacional elevado. Para isso, validamos o uso do método DFTB por meio de comparações com resultados DFT e experimentais presentes na literatura para a célula unitária cúbica do silício com e sem dopantes substitucionais de carbono. A comparação foi feita em relação a propriedades estruturais e mecânicas como energia de coesão e bulk modulus. Com o aumento no número de partículas, desenvolvemos e caracterizamos novas células unitárias retangulares para o estudo da resistência mecânica do cristal de silício em direções não triviais. Mostramos a validade do seu uso mediante comparações das suas propriedades mecânicas com os resultados obtidos para a célula unitária cúbica do silício. Por fim, utilizando as novas células unitárias, calculamos o módulo de Young para diversas direções do cristal de silício puro e com carbonos dopantes.
Abstract: Over the last few years, silicon has been considered as a possible replacement for the graphite present in the anodes of lithium-ion batteries, demonstrating excellent capacity and energy efficiency. However, its implementation becomes a difficult task due to the expansion in the crystal volume caused by lithiation in the battery charging and discharging process. This process generates high mechanical stress on the structure, preventing its reuse, making it unsustainable for a battery. In a recent study, it was proposed to dope silicon crystals with aluminum, boron, carbon, phosphorus and nitrogen atoms in a substitutional way in order to increase the mechanical resistance of the silicon crystal. To this end, the behavior of cohesion energy and bulk modulus was studied through simulations with the DFT method. Within this study, doping with carbon and nitrogen atoms were responsible for the best results. In another study, it was observed that the [110] direction of the silicon crystal was responsible for the rapid diffusion of lithium ions into the structure, leading to its volumetric expansion. Therefore, in addition to studying the resistance to volume variation, careful observation is necessary regarding the linear expansion of crystals with substitutional dopants. Our work aims to expand the study of silicon crystals with substitutional carbon dopants, using a methodology that allows us to include a greater number of particles, without generating a high computational cost. To this end, we validate the use of the DFTB method through comparisons with DFT and experimental results present in the literature for the silicon cubic unit cell with and without carbon substitutional dopants. The comparison was made in relation to structural and mechanical properties such as cohesion energy and bulk modulus. With the increase in particle number, we developed and characterized new rectangular unit cells to study the mechanical strength of silicon crystal in non-trivial directions. We show the validity of its use by comparing its mechanical properties with the results obtained for the silicon cubic unit cell. Finally, using the new unit cells, we calculated the Young’s modulus for different directions of the pure silicon crystal and with doping carbons.
Keywords: Ânodos de silício
Silicon anode
Módulo de massa
Bulk Modulus
Módulo de Young
Young's modulus
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::ESTRUTURA DE LIQUIDOS E SOLIDOS CRISTALOGRAFIA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16642
Issue Date: 18-Dec-2023
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