Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36545
ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-7009-7379
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Simulação computacional aplicada à sistemas 2D: tricloretos de metais de transição em grafeno e funcionalização de eletrenos
Alternate title (s): Simulação computacional aplicada à sistemas 2D: tricloretos de metais de transição em grafeno e funcionalização de eletrenos
Author: Souza, Pedro Henrique
First Advisor: Hiroki Miwa, Roberto
First member of the Committee: Oliveira, Igor Saulo Santos de
Second member of the Committee: Martins, George Balster
Third member of the Committee: Schmidt, Tome Mauro
Fourth member of the Committee: Mazzoni, Mario Sergio de Carvalho
Summary: A descoberta do grafeno impulsionou o estudo de materiais 2D, tendo em vista que estes materiais possuem uma vasta aplicabilidade no desenvolvimento de nanodispositivos. Isso torna a simulação computacional uma plataforma para predição de novos materiais, podendo até mesmo oferecer as direções experimentais. Sendo assim, esta Tese tem o interesse de utilizar a Teoria do Funcional da Densidade para investigar o processo de funcionalização dos eletrenos, via oxidação e formação de heteroestruturas laterais, e os tricloretos de metais de transição, RuCl3 e OsCl3 , e suas heteroestruturas Van der Waals com grafeno. Primeiramente, analisamos o processo de oxidação da monocamada e bicamada de um conjunto de eletrenos, onde a estabilidade estrutural é mantida apenas para os nitretos de Ca, Sr e Ba e o Y2C. Nestes sistemas, observamos uma transição estrutural de hexagonal para tetragonal, formando estruturas do tipo (AOAN)t e (AO(AN) 2 AO)t , para A= Ca, Sr e Ba, podendo ser capturada por simulação de XANES. A estrutura de banda revela a formação de estados half-metals localizados nos átomos de Nitrogênio que possuem um momento magnético de ∼ 1μ B. Sendo assim, temos a formação de canais spin-polarizados nas camadas AN protegidos pelas camadas oxidadas AO. Ainda mantendo o estudo dos eletrenos e sabendo que o processo de hidrogenação ou fluorinação do Ca2N induz momento magnético localizado nos Nitrogênio com a formação de estados half-metals, propomos a formação de uma heteroesrutura lateral formada por Ca2N primitivo intercalado por Ca2N hidrogenado ou fluorinado. Observamos uma transferência de carga da região primitiva para a hidrogenada (fluorinada), onde maior parte das cargas é recebida pelos Nitrogênios próximos da interface. A estrutura de banda e a densidade de spin revelam a formação de estados NFE 2 spin-polarizados com confinamento 1D na região primitiva, já na região hidrogenada (fluorinada) temos a presença de momento magnético localizado nos átomos de Nitrogênio. Cálculos da probabilidade de transmissão e corrente eletrônica evidenciam a presença de um transporte spin-polarizado na direção perpendicular à região hidrogenada (fluorinada). Por fim, utilizando a abordagem de DFT+U+SOC, estudamos os efeitos da presença do grafeno (Gr) nos tricloretos de Rutênio e Ôsmio, RuCl3 e OsCl3 . A diferença da função trabalho induz uma transferência de carga do Gr para os tricloretos de metais de transição na ordem de 10^13 e/cm2 que é distribuída de forma não-homogênea. Analisando as propriedade eletrônicas, os sistemas isolados são isolantes de Mott, porém, com a presença do grafeno as cargas transferidas ocupam os estados Ru-4d e Os-5d levando à um caráter metálico. Constatamos que a ocupação destes estados podem ser manipulados com a aplicação de um campo elétrico externo, de tal modo a controlar uma transição metal-isolante nestes sistemas. Dando atenção para as propriedades magnéticas, contatamos a fase antiferromagnética zigzag (ZZ-AFM) e ferromagnética (FM) como estado fundamental com eixo fácil de magnetização out-of-plane e in-plane para o RuCl3 e OsCl3 , respectivamente. Na presença do grafeno a fase ZZ-AFM e o eixo fácil de magnetização do RuCl3 se mantém. Em contrapartida, o OsCl3 vai de FM para ZZ-AFM com o grafeno, se mantendo in-plane. Observamos que via dopagem ou aplicação de um campo elétrico externo, a energia de anisotropia magnética nestes sistemas pode ser controlada. Sendo assim, esta Tese apresenta dois tipo de materiais que por meio da interação com outros elementos e a formação de heteroestruturas se tornam plataformas interessantes para aplicações em dispositivos spintrônicos.
Abstract: The discovery of graphene boosted the study of 2D materials, considering that these materials have wide applicability in the development of nanodevices. This makes computer simulation a platform for predicting new materials and can even offer experimental directions. Therefore, this work has an interest in using the Density Functional Theory to investigate the functionalization of electrenes through the oxidation and formation of lateral heterostructures, and the transition metal trichlorides, RuCl3 and OsCl3 , and their heterostructures Van der Waals with graphene. First, we analyzed the oxidation process on the monolayer and bilayer of an electrenes set, in which the stability structural is preserved only for the nitrides of Ca, Sr, and Ba, and the Y2C. A structural transition is observed from hexagonal to tetragonal forming structures as (AOAN)t and O(AN)2AO)t, for A= Ca, Sr and Ba, that can be captured with XANES simulations. The spin-polarized band structure reveals a formation of half-metal states localized in the Nitrogen atoms with a magnetic moment of ∼ 1μ B . Therefore, these systems are characterized by spin-polarized channels in the AN layers protected by AO oxidized layers. Following the study of electrenes and knowing that the hydrogenation and fluorination process of Ca 2 N induce mangnet moment localized in the Nitrogen atoms with the formation of half-metal states, we propose the formation of lateral structures formed by primitive Ca2N intercalated by hydrogenated (fluorinated) Ca2N. We notice a charge transfer from primitive regions to hydrogenated (fluorinated) regions, in which most part of the charge is received by the Nitrogen atoms nearest the interface. The spin-polarized band structure and the spin density reveal the formations of NFE states with 1D confinement in the primitive regions intercalated by magnetic moment localized in the Nitrogen atoms. The transmission probability and electronic current reinforce the presence of spin-polarized transport in the perpendicular direction of the hydrogenated (fluorinated) regions. Finally, following the DFT+U+SOC approach, we studied the consequences of the presence of graphene (Gr) in the Ruthenium and Osmium trichlorides, RuCl3 and OsCl3. The work function differences between these systems induce a charge transfer from the Gr to RuCl3 and OsCl3 of the order of 10^13 e/cm2 that is distributed in a way no-homogeneous. Analyzing the electronic properties, the isolated systems are Mott insulators, however, with the graphene presence, the charges transferred occupy the Ru-4d and Os-5d states leaving a metallic character. The occupancy of these states can be manipulated by the application of an external electric field, in such a way can control a metal-insulator. We found a zigzag antiferromagnetic (ZZ-AFM) and ferromagnetic (FM) ground state phase with magnetization easy axis out-of-plane and in-plane for the RuCl3 and OsCl3, respectively. In the graphene presence, the ZZ-AFM phase and the magnetization easy axis of RuCl3 are preserved. In contrast, the OsCl3 changes the ground state magnetization from FM to ZZ-AFM with the graphene presence, but the in-plane easy axis is preserved. Our results show that charge doping and the application of an external electric field can control the magnetic anisotropy energies. Therefore, this Thesis shows two types of materials that through interaction with other elements and the formations of heterostructures become interesting platforms for applications in spintronics devices.
Keywords: Materiais 2D
2D materials
Eletrenos
Electrenes
Heteroestruturas
Heterostructures
Metais de Transição
Transitions Metals
Grafeno
Graphene
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::ESTRUTURAS ELETRONICAS E PROPRIEDADES ELETRICAS DE SUPERFICIES INTERFACES E PELICULAS
Subject: Física
Metais de transição
Metais - Análise
Transições metal-isolante
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: SOUZA, Pedro Henrique. Simulação computacional aplicada à sistemas 2D: tricloretos de metais de transição em grafeno e funcionalização de eletrenos. 2022. 100 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.632.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.632
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36545
Date of defense: 11-Nov-2022
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