Orientador: Douglas Soares Galvão

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

Resumo: Neste trabalho nós investigamos propriedades estruturais, dinâmicas, mecânicas e eletrônicas de diferentes nanoestruturas. A tese está dividida em três partes distintas, na primeira tratamos diversos aspectos relacionados a nanoscrolls formados a partir de diferentes materiais, na segunda...

Resumo: Neste trabalho nós investigamos propriedades estruturais, dinâmicas, mecânicas e eletrônicas de diferentes nanoestruturas. A tese está dividida em três partes distintas, na primeira tratamos diversos aspectos relacionados a nanoscrolls formados a partir de diferentes materiais, na segunda investigamos estruturas bidimensionais e porosas de nitreto de boro e, na terceira, estudamos novas estruturas unidimensionais de silício e de germânio. Nanoscrolls são estruturas formadas ao se enrolar materiais lamelares em torno de um eixo bem definido e apresentam propriedades interessantes e únicas. Além de preservarem características eletrônicas e mecânicas encontradas em nanotubos, os nanoscrolls, em função de sua morfologia aberta, apresentam grande flexibilidade radial e extensa área de superfície acessível a solventes, o que os torna candidatos interessantes para aplicações como nanoatuadores, tanto mecânicos quanto elétricos, e como armazenadores de hidrogênio. Inicialmente, abordamos questões relacionadas à síntese de nanoscrolls de carbono e de nitreto de boro, ambos já produzidos em laboratório. Partimos, então, para os primeiros estudos publicados acerca de nanoscrolls formados por nitreto de carbono, estudando sua estabilidade e suas propriedades dinâmicas. Por último, analisamos o empacotamento de nanoscrolls dentro de nanotubos, demonstrando a falha da teoria elástica contínua em tratar este problema devido a efeitos eletrônicos. Estruturas bidimensionais têm sido exaustivamente estudadas desde o isolamento de monocamadas de grafeno e da confirmação de suas propriedades mecânicas e eletrônicas altamente interessantes. Naturalmente, há busca por novos materiais com características semelhantes e, devido à grande semelhança estrutural, o nitreto de boro hexagonal tem despertado grande interesse, apresentando maior estabilidade térmica e química se comparado ao grafeno. Nós desenvolvemos estudos acerca de estuturas bidimensionais e porosas de nitreto de boro com diferentes morfologias. Estas estruturas, além de preservarem propriedades desejáveis do nitreto de boro hexagonal, são caracterizadas por sua baixa densidade e pela existência de largos poros, que podem ser utilizados em aplicações como de filtros seletivos. Nós mostramos, também, a possibilidade de se controlar o gap eletrônico destas estruturas através de substituições por átomos de carbono. Em função de importantes semelhanças entre suas estruturas eletrônicas e a do carbono, silício e germânio são capazes de gerar uma larga gama de nanoestruturas de interesse, análogas às existentes de carbono. Entretanto, há, também, notáveis diferenças, como a manifestação do efeito pseudo-Jahn Teller que se reflete em nanoestruturas com morfologias distintas. Tendo isso em mente, investigamos a possibilidade destas diferenças levarem à existência de estruturas únicas de silício e de germânio, sem análogos de carbono e mostramos estruturas unidimensionais que satisfazem tais condições. Nós estudamos sua estabilidade e suas propriedades mecânicas e eletrônicas, mostrando que seus valores de gap eletrônico podem ser controlados através de tensão e compressão

Abstract: In this work we investigate structural, dynamical, mechanical and electronic properties of different nanostructures. The thesis is organized in three distinct parts, in the first we analyze some aspects related to nanoscrolls made from different materials, in the second we investigate two...

Abstract: In this work we investigate structural, dynamical, mechanical and electronic properties of different nanostructures. The thesis is organized in three distinct parts, in the first we analyze some aspects related to nanoscrolls made from different materials, in the second we investigate two dimensional porous boron nitride structures and, in the third, we study novel one dimensional silicon and germanium nanostructures. Nanoscrolls are structures formed by rolling layered materials around a well defined axis and present interesting and unique properties. Besides preserving electronic and mechanical properties shown by nanotubes, nanoscrolls, as a consequence of their open ended morphology, present great radial flexibility and large solvent accessible surface area, making them interesting candidates for aplications as nanoactuators, both mechanical and electronic, and as hydrogen storage mediums. Firstly, we approach aspects related to carbon and boron nitride nanoscrolls synthesis processes, both already having been experimentally produced. We then focus on the first published works on nanoscrolls formed from carbon nitride, studying their stability and dynamical properties. Lastly, we analyze the confinement laws of nanoscrolls inside nanotubes, demonstrating the failure of classical continuous elasticity on solving this problem due to electronic effects. Two dimensional nanostructures have been extensively studied since the successful isolation of monolayer graphene and the confirmation of its highly interesting mechanical and electronic properties. Naturally, other materials with similar characteristics are pursued and, due to its large structural similarity, hexagonal boron nitride has been of great interest, presenting higher thermal and chemical stability when compared to graphene. We investigated two dimensional porous boron nitride structures with distinct morphologies. These structures, besides preserving hexagonal boron nitride desirable properties, are characterized by their low density and the presence of large pores, which can be utilized in applications such as selective filters. We also show the possibility of bandgap tuning through carbon atoms substitution. Due to significant similarities between their electronic structures and that of carbon, silicon and germanium are able to generate a plethora of interesting nanostructures, analogous to the existing carbon ones. Nevertheless, there are notable differences, such as the manifestation of the pseudo-Jahn Teller effect which leads to nanostructures with distinct morphologies. With this in mind, we investigate the possibility of these differences leading to the existence of unique silicon and germanium nanostructres, with no carbon analogue and we show one dimensional structures satisfying such conditions. We study their stability and their mechanical and electronic properties, showing that their bandgap values can be controlled by compressive and tensile strain