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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-0918-2149
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Magnetic and thermolectric properties of topological graphene heterostructures
Alternate title (s): Propriedades termoelétricas e magnéticas de heteroestruturas de grafeno topológicas
Author: Almeida, Patrícia de Assis
First Advisor: Martins, George Balster
First member of the Committee: Schmidt, Tomé Mauro
Second member of the Committee: Lewenkopf, Caio Henrique
Summary: Nesta dissertação, apresentaremos um estudo dos sistemas eletrônicos, magnéticos, de transporte e propriedades termoelétricas de heteroestruturas unidimensionais recentemente sintetizadas que são construídas sobre um 'backbone' constituído por uma nanofita de grafeno de base (AGNR). Tais heteroestruturas foram sintetizadas com sucesso, em superfícies de ouro, através processos químicos. O interesse por essas heteroestruturas aumentou depois que foi previsto que eles deveriam ter bandas topologicamente não triviais perto da energia de Fermi. Esta previsão teórica foi confirmada experimentalmente nos últimos dois anos. Suas propriedades topológicas derivam de estados localizados (eles próprios de natureza topológica) que podem aparecer nas diferentes junções que formam a heteroestrutura. A hibridização desses estados simula, próximo à energia de Fermi, um modelo Su-Schrieffer-Heeger (ou seja, uma cadeia dimerizada), dotando a física de baixa energia do sistema com propriedades topológicas. Aqui, não estudamos suas propriedades topológicas. Em vez de, usando o formalismo de Landauer, primeiro analisamos suas propriedades termoelétricas, por exemplo, condutâncias eletrônicas e térmicas, bem como o coeficiente de Seebeck, denotado como $G$, $K_e$ e $S$, respectivamente. Isso nos permite calcular a termocorrente de resposta linear $\nicefrac{I_{th}}{\Delta T}=GS$, bem como a figura de mérito $ZT=\nicefrac{GS^2T}{K_e}$ ($T$ significa temperatura), que estima a eficiência de um material na transformação térmica em energia elétrica. Nossos resultados indicam que algumas das heteroestruturas (semicondutoras) analisadas têm uma figura de mérito consideravelmente maior do que a do backbone AGNR sobre os quais são construídas. Em seguida, usando o formalismo tight-binding, mostramos que essas heteroestruturas apresentam uma infinidade de bandas planas, reminiscentes da banda plana [\emph{single}] já estudada em AGNRs originais. Essas bandas planas ocorrem devido à formação dos chamados 'estados orbitais Wannier', através de um processo de interferência. Depois de analisar cuidadosamente suas propriedades eletrônicas usando um modelo tight-binding, pudemos mostrar, pela primeira vez, através de uma colaboração com um grupo interno da DFT, que dopa essas heteroestruturas leva a um estado fundamental ferromagnético. Uma futura direção de pesquisa neste assunto poderia ser o estudo da interação entre ferromagnetismo e topologia em alguns desses sistemas interessantes.
Abstract: In this dissertation, we will present a study of the electronic, magnetic, transport and thermoelectric properties of recently synthesized one-dimensional heterostructures that are built upon a `backbone' constituted by an armchair graphene nanoribbon (AGNR). Such heterostructures have been successfully synthesized, in gold surfaces, through chemical processes. The interest in these heterostructures has greatly increased after it was predicted that they should have topologically non-trivial bands near the Fermi energy. This theoretical prediction has been experimentally confirmed in the last couple of years. Their topological properties stem from localized states (themselves topological in nature) that may appear at the different junctions forming the heterostructure. The hybridization of those states simulates, close to the Fermi energy, a Su-Schrieffer-Heeger model (i.e., a dimerized chain), endowing the low-energy physics of the system with topological properties. Here, we do not study their topological properties. Rather, using the Landauer formalism, we first analyze their thermoelectric properties, viz., charge and electronic thermal conductances, as well as the Seebeck coefficient, denoted as $G$, $K_e$, and $S$, respectively. This allows us to calculate the linear-response thermocurrent $\nicefrac{I_{th}}{\Delta T}=GS$, as well as the figure of merit $ZT=\nicefrac{GS^2T}{K_e}$ ($T$ stands for temperature), which estimates the efficiency of a material in transforming thermal into electrical energy. Our results indicate that some of the (semiconducting) heterostructures analyzed have a considerably larger figure of merit than that of the AGNR backbone upon which they are built. Next, using the tight-binding formalism, we show that these heterostructures present a multitude of flat-bands, reminiscent of the \emph{single} flat-band already studied in pristine AGNRs. These flat-bands occur due to the formation of so-called `Wannier orbital states', through a quantum interference process. After carefully analyzing their electronic properties using a tight-binding model, we were able to show, for the first time, through a collaboration with a DFT in-house group, that hole-doping these heterostructures leads to a ferromagnetic ground state. A future research direction in this subject could be the study of the interplay between ferromagnetism and topology in some of these interesting systems.
Keywords: Graphene Nanoribbons
Topological Insulators
Magnetism
Electronic Structure
Transport and Thermoelectric properties
Nanofitas de grafeno
Isolantes topológicos
Magnetismo
Estrutura Eletrônica
Propriedades de transporte e termoelétricas
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Subject: Física
Estrutura eletrônica
Materiais isolantes
Campos eletromagnéticos
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: ALMEIDA, Patrícia de Assis. Magnetic and thermolectric properties of topological graphene heterostructures. 2022. 134 f. Dissertação (Mestrado em História) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.6012
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.6012
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37967
Date of defense: 25-Feb-2022
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