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Type: Tese
Title: Theoretical characterization of graphene and other 2D materials
Author: Ullah, Saif
First Advisor: Sato, Fernando
Referee Member: Autreto, Pedro Alves da Silva
Referee Member: Garcés, Erix Alexander Milán
Referee Member: Ludwig, Valdemir Aeneas
Referee Member: Massote, Daniel Vasconcelos Pazzini
Resumo: Nesta tese, estudamos diversos aspectos do grafeno e outros materiais 2D por meio de cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT em inglês). Inicialmente, propomos dois modelos de dopagem em grafeno para a abertura de gaps de forma eficiente. Além disso, estudamos pela primeira vez dopantes triplos em grafeno, o que é útil para o desenho de propriedades eletrônicas e para o aumento de sua reatividade química. Em uma segunda frente, estudamos a possibilidade de se utilizar grafeno mono-dopado e bi-dopado como ânodo em baterias baseadas em metais alcalinos (lítio, sódio e potássio). Além disso, descobrimos que o fosteto de boro hexagonal (hBP) e o arseneto de boro hexagonal (hBAs) possuem excelentes propriedades eletroquímicas que são desejáveis em ânodos eficientes. Verificamos que todos os sistemas propostos apresentam uma ampla capacidade de armazenamento em comparação com outros ânodos conhecidos. Em outra frente, investigamos detalhadamente as propriedades estruturais, térmicas, dinâmicas, eletrônicas e ópticas de monocamadas de hBX (X = P, As), monocamada Be3N2, e o boroxino (B3O3), um material que apresenta buracos em sua estrutura cristalina. Tais investigações representam um enriquecimento importante à família de materiais 2D. Além disso, estudamos a estabilidade e as propriedades optoeletrônicas de diversas heteroestruturas de van-der-Walls (vdW), incluindo multicamadas de hBP, hBAs e combinações, onde verificamos uma grande tunabilidade. Consideramos ainda diferentes heteroestruturas baseadas em SiC3 e hBN de forma a investigar o potencial do SiC3 como um substituto para o grafeno em dispositivos nanoeletrônicos. Verificamos que a aplicação de um campo elétrico externo nessas heteroestruturas leva à abertura de um gap com maior magnitude e tunabilidade em comparação aos gaps encontrados em heteroestruturas baseadas em grafeno e hBN. Finalmente, investigamos os efeitos de uma dopagem substitucional na monocamada de hBN. Observamos que a estrutura de níveis de energia induzidos pela impureza dentro do gap é bem exótica, apresentando uma forte dependência com a posição de sub-rede ocupada pela impureza e com o seu comportamento como doadora ou aceitadora. Por exemplo, quando uma impureza aceitadora substitui um átomo de nitrogênio, observa-se uma forte interação entre os vales, resultando em um estado fundamental não-degenerado. Por outro lado, quando uma impureza aceitadora substitui um átomo de boro, verifica-se uma fraca interação entre vales e um estado fundamental quase duplamente degenerado. Observamos ainda que impurezas doadoras se comportam de forma similar.
Abstract: In this thesis, various aspects of graphene and other 2D materials were studied by means of first-principles density functional theory (DFT) calculations. Initially, we propose two types of doping models in graphene for efficient band gap opening. In addition, we study triple dopants in graphene for the first time which is useful for the designing of the electronic properties and increasing the chemical reactivity of graphene. We also design several mono-doped and dual-doped graphene as potential anode materials for alkali-based (lithium, sodium, and potassium) batteries. Moreover, it is found that hexagonal boron phosphide (hBP) and hexagonal boron arsenide (hBAs) possess excelent electrochemical properties that are desirable for efficient anode materials. All of these proposed systems offer large storage capacities in comparison with the other famous anode materials. In addition, we report monolayer BX (X=P, As) derivatives, monolayer beryllium-nitride (Be3N2), and 2D holey boroxine (B3O3). In detail, the structural, thermal, dynamical, mechanical, electronic, and optical properties were systematically investigated and carefully examined. These theoretical investigations considerably upgrade the family of 2D materials. We inspect the stability and the electronic and optical properties of various vdWheterostructures including (hBP), (hBAs), and their derivatives which offer tunable optoelectronic properties. Additionally, we consider SiC3-hBN (vdW-heterostructure, and encapsulated SiC3 in hBN) as a potential replacement for graphene in nanoelectronics. Furthermore, the external electric field provides a great tunability of the gaps which is somewhat missing (or weaker) in the graphene-hBN bilayer. Finally, we investigate the effect of substitutional doping in single layer hBN. The induced impurity level structure is quite exotic and strongly dependent on the sublattice position and its behavior as a donor or an acceptor. For example, for an acceptor replacing a nitrogen atom, a strong intervalley interaction is observed with a strong valley and spin splitting. Conversely, when a boron atom is replaced with an acceptor, a much weaker intervalley interaction is observed with near-valley-degenerate levels. The behavior of the donor impurities is found to be the same.
Keywords: DFT
Grafeno
Materiais 2D e heteroestruturas vdW
Baterias alcalinas
Defeitos
DFT
Graphene
2D Materials and vdW heterostructures
Alkali-based batteries
Defects
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
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/11836
Issue Date: 22-Jan-2020
Appears in Collections:Doutorado em Física (Teses)



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