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Title in Portuguese: Magnetismo em nanocristais dopados com impurezas não magnéticas e propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas de pontos quânticos de fósforo negro
Author: Lino, Maurisan Alves
Advisor(s): Sousa, Jeanlex Soares de
Keywords: Nanocristais
Pontos quânticos
Teoria do funcional da densidade
Teoria dos excitons
Issue Date: 2017
Citation: LINO, M. A. Magnetismo em nanocristais dopados com impurezas não magnéticas e propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas de pontos quânticos de fósforo negro. 2017. 105 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
Abstract in Portuguese: Na primeira parte dessa tese, investigamos nanocristais de Silício, Carbono e Germânio aproximadamente esféricos, puros e dopados com impurezas não magnéticas (Boro ou Fósforo ) e diâmetros entre 7,3Å e 35Å. Todos os cálculos foram realizados usando Teoria do Funcional de Densidade (DFT), implementado no programa SIESTA. Nossos resultados mostram que os nanocristais dopados exibem magnetismo que depende do diâmetro, sendo reduzido com o aumento dos diâmetros. A taxa de redução do momento magnético com o diâmetro muda de acordo com o tipo de nanocristal. Em todos os casos, a simulação com supercélulas do bulk dopadas resulta em momento magnético nulo. Além dos cálculos com a dopagem no centro, realizamos cálculos mudando a posição das dopagens ao longo do raio nos nanocristais de Silício com diâmetro de 20 Å e 25 Å e nos nanocristais de Germânio com os diâmetros 18 Å e 23,6 Å, onde encontramos oscilações nos momentos magnéticos. Na segunda parte, apresentamos um estudo teórico do efeito causado pela inserção de elétrons em pontos quânticos de fósforo negro (PQFNs) com uma e duas camadas, alcançando diâmetros de 2 nm e 3 nm. Demonstramos que os pontos quânticos são capazes de armazenar um número máximo de elétrons (Nmax) que depende do tamanho lateral e do número de camadas, de forma que após esse (Nmax) surgem instabilidades estruturais. O ponto quântico com uma camada de 3 nm passivado com hidrogênios, por exemplo, pode armazenar no máximo 16 elétrons, e um elétron adicional causa a repulsão dos átomos de hidrogênio da borda, e algumas repulsões dos hidrogênios com átomos de fósforo. Calculamos o espectro de energia adicional (EA), onde para pontos quânticos com uma camada de 2 nm e 3 nm a (EA) ca em torno de 0,4 eV e 0,3 eV respectivamente. Para duas camadas com os mesmo tamanhos, a média da (EA) é entorno de 0,25 eV e 0,2 eV respectivamente. Essas energias são muito maiores que a energia térmica em temperatura ambiente (≈ 30 meV), satisfazendo a condição do efeito bloqueio de coulomb. Esses resultados tornam-se importantes para futuros estudos experimentais, a m de otimizar o funcionamento de novos dispositivos. Investigamos também propriedades ópticas dos PQFNs depositados em substratos de SiO2 e Si, onde os resultados deixam claro o efeito dramático dos substratos e do número de camadas dos PQFNs no gap e espectro excitônico.
Abstract: The rst part of this thesis aims to study of Silicon, Carbon and Germanium nanocrystals doped with a single impurity (Boron or Phosphorus) com sizes ranging between 7.3Å e 35Å. The calculations were performed using Density Functional Theory as implemented in SIESTA code. Our results show that the doped nanocrystals exhibit size-dependent magnetic dipole moments, vanishing for large nanocrystal diameters. The rate of dipole momentreductiondependsonthenanocrystalspecimen. Inallcases, thebulkcalculations providedzeromagneticdipolemoment. Wealsoperformedcalculationswheretheposition of the impurity is changed within the nanocrystal of silicon and germanium, and we obtained strong oscillation of the magnetic dipole moment. In the second part we present a theoretical study of the charging e ects in single and double layer black phosphorus quantum dots (BPQDs) with lateral sizes of 2 nm and 3 nm. We demonstrate that the charging of BPQDs are able to store up to an N max electron (that depends on the lateral size and number of layers in the QD), after which structural instabilities arises. For example, 3 nm wide hydrogen-passivated single layer BPQDs can hold a maximum of 16 electrons, and an additional electron causes the expelling of hydrogen atoms from the QD borders. We also calculated the addition energy (EA) spectrum. For single layer QDs with 2 and 3 nm of lateral sizes, the average EA is around 0.4 eV and 0.3 eV, respectively. For double layer QDs with the same sizes, the average EA is around 0.25 eV and 0.2 eV, respectively. These energies are much larger than the thermal energy at room temperature (≈ 30 meV), satisfying the condition of the e ect Coulomb blockade. These results are important for future experimental studies, in order to optimize the operation of new devices. We also investigated the optical properties of PQFNs deposited on substrates of SiO2 and Si, where the results make clear the dramatic e ect of substrates and the number of layers of BPQDs in the excitonic gaps and excitonic spectrum.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/28590
metadata.dc.type: Tese
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