Orientador: Edison Zacarias da Silva

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: A fabricação e o estudo de nanofios de ouro despertam grande interesse na comunidade científica, na tentativa de maior entendimento de efeitos quânticos de sistemas em escala reduzida, assim como na possibilidade de seu uso em aplicações tecnológicas. Uma vez que os nanofios de ouro...

Resumo: A fabricação e o estudo de nanofios de ouro despertam grande interesse na comunidade científica, na tentativa de maior entendimento de efeitos quânticos de sistemas em escala reduzida, assim como na possibilidade de seu uso em aplicações tecnológicas. Uma vez que os nanofios de ouro apresentam propriedades surpreendentes quando dopados por impurezas atômicas fomos motivados a estudar como estas se formam. Devido ao fato de em escala nanoscópica o ouro apresentar atividade catalítica, consideramos que a presença de impurezas se deve a reação de pequenas moléculas em nanofios de Au. O estudo foi realizado por meio de cálculos abinitio via Teoria do Funcional da Densidade, usando o código computacional SIESTA. A metodologia para o estudo da estrutura eletrônica desses sistemas foi a de otimização de geometria e de dinâmica molecular ab initio. Nosso foco de estudo foi encontrar caminhos reacionais para a formação de impurezas atômicas de carbono ou de oxigênio nas cadeias atômicas lineares de nanofios monoatômicos. A análise se baseou na interação entre duas moléculas catalisada pelo nanofio, as moléculas consideradas em nosso estudo foram CO e O2. Um estudo extensivo e detalhado das possíveis reações foi feito. Dentre os vários caminhos estudados, uma reação sequencial onde uma molécula de O2 é adsorvida por apenas um dos seus oxigênios, inicia um processo, que seguido pela adsorção de uma molécula de CO, leva a formação de um complexo O2-CO ligado a cadeia atômica do nanofio. Nós mostramos situações onde este complexo fica ativado e reage formando uma molécula de CO2 que vai para a fase gasosa deixando o nanofio dopado com um átomo de oxigênio. Portanto este trabalho apresenta um caminho reacional para a formação de uma impureza atômica na cadeia atômica de um nanofio de ouro, uma questão que esperava uma solução a quase uma década.

Abstract: The manufacture and the study of gold nanowires weakened great interest of the scientific community in the quest for better understanding of the quantum effects in systems with reduced scales and also due to the possibility of their use in technological applications. Since gold nanowires...

Abstract: The manufacture and the study of gold nanowires weakened great interest of the scientific community in the quest for better understanding of the quantum effects in systems with reduced scales and also due to the possibility of their use in technological applications. Since gold nanowires present novel and surprising properties when doped with atomic impurities, this led us into the search to understand how these impurities can be produced. Due to the fact that gold in nanoscale presents catalytic activity, we considered the possibility of chemical reactions with small molecules in the presence of gold nanowires. The present study was performed with ab initio calculations based in the density functional theory as implemented by the SIESTA code. The methodology for the electronic structure studies was the geometry optimization using conjugated gradient method and abinitio molecular dynamics. Our focus was to find reaction paths to produce atomic impurities of carbon and oxygen in linear atomic chains of gold nanowires. The analysis was based in the reaction of two molecules catalized by the nanowire, the molecules considered in this study were CO and O2. An extensive and detailed study of possible pathways was undertaken. Among the various paths, a sequential reaction where only one O of a adsorbed O2 molecule attached to the nanowire, started the process, followed by the adsorption of a CO molecule nearby that formed an O2-CO complex attached to the atomic chain of the nanowire. We presented circumstances in which this complex becomes activated and evolves to form a CO2 molecule that goes into the gas phase leaving an atomic oxygen impurity attached to the linear chain. Therefore, this work presented a reactional path to the formation of an atomic impurity in the atomic chain of a gold nanowire, a question that waited an answer for almost ten years.