dc.creator | Vargas, Douglas Willian Duarte de | |
dc.date.accessioned | 2023-03-29T11:19:02Z | |
dc.date.available | 2023-03-29T11:19:02Z | |
dc.date.issued | 2023-02-24 | |
dc.identifier.uri | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/28447 | |
dc.description.abstract | Using 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.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | por |
dc.language | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de Santa Maria | por |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | * |
dc.subject | Low-buckled siliceno | por |
dc.subject | Dumbbell siliceno | por |
dc.subject | NiI2, h-BN | por |
dc.subject | Heteroestruturas de van der Waals | por |
dc.subject | Campo elétrico externo | por |
dc.subject | Compressão vertical | por |
dc.subject | Baterias de Li | por |
dc.subject | Alta capacidade de armazenamento | por |
dc.subject | Low-buckled silicene | eng |
dc.subject | Dumbbell silicene | eng |
dc.subject | Van der Waals heterostructures | eng |
dc.subject | External electric field | eng |
dc.subject | Vertical strain | eng |
dc.subject | Li-ion batteries | eng |
dc.subject | High storage capacity | eng |
dc.title | Sistemas bidimensionais à base de silício: um estudo ab initio | por |
dc.title.alternative | Silicon-based two-dimensional systems: an ab initio study | eng |
dc.type | Tese | por |
dc.description.resumo | Usando 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.advisor1 | Baierle, Rogério José | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/7565203547830128 | por |
dc.contributor.referee1 | Rosa, Andreia Luisa da | |
dc.contributor.referee2 | Silva, Juarez Lopes Ferreira da | |
dc.contributor.referee3 | Menezes, Marcos Gonçalves de | |
dc.contributor.referee4 | Köhler, Mateus Henrique | |
dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/5573393060161481 | por |
dc.publisher.country | Brasil | por |
dc.publisher.department | Física | por |
dc.publisher.initials | UFSM | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Física | por |
dc.subject.cnpq | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA | por |
dc.publisher.unidade | Centro de Ciências Naturais e Exatas | por |