Publicação: Nanoestrutura de CdS: propriedades estruturais, eletrônicas e
oxidação
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
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Resumo
Nanoestruturas de CdS formam diferentes formas, com potenciais aplicações em células
solares, dispositivos ópticos e mecânicos. A presença de oxigênio em nanoestruturas destes
materiais podem ser úteis para obtenção de novas formas como hélices, ou ainda, para construção
de dispositivos com alta performance no que diz respeito a retificação. Neste trabalho
inicialmente fizemos um cálculo comparativo entre as fases estruturais do material bulk e as
nanoestruturas formadas por poucas camadas de CdS, a fim de entender as formações energeticamente
mas estáveis. Nossos cálculos foram feitos via Teoria do Funcional da Densidade
(DFT) com o GGA-PBE dentro do método PAW, implementados no pacote VASP. Os resultados
mostram que a sequência de estabilidade de fase para o bulk de CdS é: wurtzita, zinc
blende, grafítica e rock salt, que concorda com dados da literatura. Através do plano (0001) do
bulk de fase estrutural wurtzita e do plano (001) do bulk rock salt obtivemos as nanoestruturas
compostas por várias camadas. É observado que após a relaxação as nanoestruturas wurtzita
sofrem uma transição passando para a fase grafítica. Isso é explicado pelo cálculo da energia
de superfície dessas nanoestruturas. Para essas configurações nossos resultados mostram que
para nanoestruturas composta por até 9 camadas a fase grafítica é a mais estável. Devido a
estados de superfície, a maioria das nanoestruturas apresentam características de um metal (ausência
de gap). Quanto à impureza de oxigênio, dopamos as nanoestruturas de duas maneiras:
por adsorção e substitucional ao enxofre. As nanoestruturas dopadas foram as monocamadas e
duplas camadas. Observamos que tanto na adsorção quanto no método substitucional ocorre a
formação de ligações químicas entre o oxigênio e os átomos das nanoestruturas, e a oxidação
é exotérmica. Em todos os casos a oxidação é mais favorável para as nanoestruturas menos
estáveis rock salt, exceto nas duplas camadas no caso que a oxidação se dá por substituição.
Neste caso a oxidação é mais favorável para a nanoestrutura wurtzita. São observados níveis da
impureza abaixo do nível de Fermi apenas para a monocamada wurtzita quando a oxidação é
por adsorção. Para as demais o oxigênio é eletronicamente inerte.
Abstract
CdS nanostructures form different shapes, with potential applications in solar cells, optical
and mechanical devices. The presence of oxygen in nanostructures of these materials can
be useful for obtaining new forms such as propellers, as well as for the construction of high
performance devices as regards grinding. In this work, we made initially a comparative calculation
between the structural phases of the bulk material and nanostructures formed by a few
layers of CdS in order to understand the formation energetically more stable. Our calculations
were made via Density Functional Theory (DFT) with the GGA-PBE within the PAW method,
implemented in the VASP package. The results show that the sequence of phase stability for
the CdS bulk is: wurtzite, Blende zinc, graphitic, rock salt, which agrees with all results of the
literature. Through the plane (0001) of the bulk phase wurtzite structure and the plane (001) of
the bulk rock salt we have obtained nanostructures composed of several layers. After relaxation
the wurtzite phase nanostructure undergoes a transition to graphitic phase. This is explained
by calculating the surface energy of nanostructures. In these settings our results show that for
nanostructures composed with less than 10 layers the graphitic phase is more stable. Due to
surface states, the most nanostructures show metal features (gapless). With respect to oxygen
impurity, we doped the nanostructures in two ways: by adsorption and substitutional sulfur.
The doped nanostructures were monolayers and bilayers. We observed that the substitutional
method as well as the adsorption occurs with the formation of chemical bonds between oxygen
and the atoms of the nanostructures, and oxidation is exothermic. In all cases the reaction is
more favorable to the rock salt nanostructures. With respect to double layer in the wutzite phase
the oxidation by substitution is more favorable. We have observed impurity levels below the
Fermi level only for the monolayer wurtzite when the oxidation is by adsorption. For the other
structures oxygen is electronically inert.
Palavras-chave
Teoria do funcional da densidade, Folhas de CdS, Impurezas de oxigênio, Density functional theory, CdS sheets, Oxygen impurities, Funcionais de densidade
Citação
COUTO, Willian Reis Moura do. Nanoestrutura de CdS: propriedades estruturais, eletrônicas e
oxidação. 2012. 83 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2012.351