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dc.creatorVargas, Douglas Willian Duarte de
dc.date.accessioned2023-03-29T11:19:02Z
dc.date.available2023-03-29T11:19:02Z
dc.date.issued2023-02-24
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/28447
dc.description.abstractUsing density functional theory (DFT) calculations we investigated silicon-based two-dimensional systems, where two silicene phases were considered: the low-buckled (LB) silicene and the dumbbell-like (DB) silicene. First, the structural and electronic properties of a heterogeneous van der Waals (vdW) structure consisting of LB silicene and NiI2 single layers were studied. We observed an interaction between the two layers with a net charge transfer from the ferromagnetic semiconductor NiI2 to LB silicene, breaking the inversion symmetry of the LB silicene structure. However, the charges flow in opposite directions for the two spin channels, which leads to a vdW heterostructure with a spin-polarized band gap between the 𝜋 and 𝜋 ★ states. The band gap can be tuned by controlling the vertical distance between the layers. The features showed by this vdW heterostructure are new, and we believe that silicene on a NiI2 layer can be used to construct heterostructures with appropriate properties to be used in nanodevices where the control of the spin-dependent carrier mobility is necessary and this vdW heterostructure can be incorporated into silicon-based electronics. Second, single layers of hexagonal boron nitride (h-BN) and silicene are brought together to form h-BN/(LB or DB) silicene van der Waals (vdW) heterostructures. The effects of an external electric field and compressive strain on the structural and electronic properties were systematically studied through first-principles calculations. The systems show exciting new properties as compared to the isolated layers, such as a tunable band gap that depends on the interlayer distance and is ruled by the charge transfer and orbital hybridization between h-BN and silicene, especially in the case of LB silicene. The electric field also increases the band gap in h-BN/DB silicene and causes an asymmetric charge rearrangement in h-BN/LB silicene. Remarkably, we found a great potential for h-BN layers to functionalize as a substrate for silicene, enhancing both the strain and electric field effects on its electronic properties. These results provide a more detailed understanding of h-BN/silicene 2D-based materials, highlighting promising possibilities in low-dimensional electronics. Third, we investigate the use of DB silicene as an anode material for Li-ion batteries (LiBs). The energetically most stable geometries for Li adsorption on DB silicene were investigated, and the energy barriers for Li-ion diffusion among the possible stable adsorption sites were calculated. We found that DB silicene can be lithiated up to a ratio of 1.05 Li per Si atom, resulting in a high storage capacity of 1002 mAhg−¹ and an average open-circuit potential of 0.38 V, which makes DB silicene suitable for applications as an anode in LiBs. The energy barrier for Li-ion diffusion was calculated to be as low as 0.19 eV, suggesting that the Li ions can easily diffuse on the entire DB silicene surface, decreasing the time for the charge/discharge process of the LiBs. Our detailed investigations show that DB silicone has characteristic features suitable for application in high-performance LiBs. In summary, these three works contributions serve to elucidate the properties of Si 2D and its possible applications in electronic devices.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpor
dc.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Santa Mariapor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectLow-buckled silicenopor
dc.subjectDumbbell silicenopor
dc.subjectNiI2, h-BNpor
dc.subjectHeteroestruturas de van der Waalspor
dc.subjectCampo elétrico externopor
dc.subjectCompressão verticalpor
dc.subjectBaterias de Lipor
dc.subjectAlta capacidade de armazenamentopor
dc.subjectLow-buckled siliceneeng
dc.subjectDumbbell siliceneeng
dc.subjectVan der Waals heterostructureseng
dc.subjectExternal electric fieldeng
dc.subjectVertical straineng
dc.subjectLi-ion batterieseng
dc.subjectHigh storage capacityeng
dc.titleSistemas bidimensionais à base de silício: um estudo ab initiopor
dc.title.alternativeSilicon-based two-dimensional systems: an ab initio studyeng
dc.typeTesepor
dc.description.resumoUsando cálculos de primeiro princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade (DFT), investigamos sistemas bidimensionais (2D) baseados em silício, onde duas fases foram consideradas: o siliceno low-buckled (LB) e o siliceno dumbbell (DB). Primeiro, estudou-se as propriedades estruturais e eletrônicas de uma heteroestrutura de van der Waals (vdW) formado pelo siliceno LB e a monocamada de NiI2. Observamos uma interação entre as duas camadas com uma transferência líquida de carga do semicondutor ferromagnético NiI2 para o siliceno LB, quebrando a simetria de inversão da estrutura do siliceno LB. No entanto, as cargas fluem em direções opostas para os dois canais de spin, o que leva a uma heteroestrutura de vdW com um gap polarizado por spin entre os estados 𝜋 e 𝜋 ★ que forma o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução, respectivamente. O gap pode ser ajustado controlando a distância vertical entre as monocamadas. As características apresentadas por esta heteroestrutura de vdW são novas, e acreditamos que o siliceno LB junto com o NiI2 pode ser usado para construir heteroestruturas de vdW com propriedades apropriadas para uso em nanodispositivos onde o controle da mobilidade do portador dependente de spin é necessário para que possa ser incorporado na eletrônica baseada em silício. Em segundo lugar, monocamada de nitreto de boro hexagonal (h-BN) e siliceno (LB ou DB) são usadas para formar heteroestruturas de vdW. Os efeitos de campos elétricos externos e compressão vertical em suas propriedades estruturais e eletrônicas foram sistematicamente estudados através de cálculos de primeiros princípios. Eles mostram novas propriedades em comparação com as monocamadas isoladas, como um intervalo de banda ajustável que depende da distância entre as monocamadas, sendo regido pela transferência de carga e hibridação orbital entre h-BN e siliceno, especialmente no caso do siliceno LB. A aplicação de um campo elétrico externo provoca um aumento no gap no h-BN/siliceno DB e causa um rearranjo assimétrico de carga no h-BN/siliceno LB. Notavelmente, encontramos um grande potencial para as camadas de h-BN funcionarem como substratos para o siliceno, aumentando os efeitos de compressão vertical e campo elétrico em suas propriedades eletrônicas. Esses resultados contribuem para uma compreensão mais detalhada dos materiais baseados em h-BN/siliceno 2D, destacando possibilidades promissoras em eletrônica de baixa dimensão. Em terceiro lugar, investigamos o uso de siliceno DB como ânodo para baterias de íons de lítio (LiBs). Os sítios energeticamente mais estáveis para adsorção de Li em siliceno DB foram investigadas, e as barreiras de energia para difusão de Li-íon entre os possíveis sítios de adsorção estáveis foram calculadas. Descobrimos que o siliceno DB pode ser litiado até uma proporção de 1,05 Li para cada átomo de Si, resultando em uma alta capacidade de armazenamento de 1002 mAhg−¹ e um potencial médio de circuito aberto de 0,38 V, o que torna o siliceno DB adequado para aplicações como ânodo em LiBs. A barreira de energia para difusão de íons de lítio foi calculada para e observou-se que esta é pequena (0,19 eV), sugerindo que os íons de lítio podem se difundir facilmente em toda a superfície do siliceno DB, diminuindo o tempo para o processo de carga/descarga das LiBs. Nossas investigações detalhadas mostram que o silicone DB possui características adequadas para aplicação em LiBs de alto desempenho. Em resumo, os três trabalhos servem para elucidar as propriedades do Si 2D e suas possíveis aplicações em dispositivos eletrônicos.por
dc.contributor.advisor1Baierle, Rogério José
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7565203547830128por
dc.contributor.referee1Rosa, Andreia Luisa da
dc.contributor.referee2Silva, Juarez Lopes Ferreira da
dc.contributor.referee3Menezes, Marcos Gonçalves de
dc.contributor.referee4Köhler, Mateus Henrique
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5573393060161481por
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentFísicapor
dc.publisher.initialsUFSMpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Físicapor
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICApor
dc.publisher.unidadeCentro de Ciências Naturais e Exataspor


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