Estudo de primeiros princípios da estabilidade e funcionalização da superfície e nanofitas de carbeto de silício
Resumo
Utilizando cálculos de primeiro princípios dentro do formalismo da teoria do
funcional da densidade (DFT) realizou-se um estudo da estabilidade, geometria, propriedades
eletrônicas e magnéticas de superfícies de carbeto de silício (SiC) cúbica
alinhada ao longo da direção (001) (β−SiC(001)) e nanofitas de SiC. A superfície
β−SiC(001) apresenta dois tipos de terminação: terminação em C ou em Si. Para
cada terminação (C ou Si) foi estudado um grande número de reconstruções possíveis.
No estudo da estabilidade da superfície β−SiC(001) calculamos a energia
de superfície, que mostrou que as duas terminações (C ou Si) apresentam similar
estabilidade. Para as duas terminações a análise das propriedades eletrônicas mostra
que estados de superfície estão presentes no gap. Estes estados de superfície
regem as propriedades eletrônicas da β−SiC(001) que apresentam comportamento
metálico ou semicondutor, dependendo da reconstrução.
Com o objetivo de saturar as ligações pendentes na superfície e ao mesmo
tempo funcionalizar a superfície, efetuamos o estudo da hidrogenação da superfície
β−SiC(001) terminada em C e na reconstrução mais estável que é a c(2x2),
onde linhas e colunas de dímeros de C estão presentes. Inicialmente observamos
que a adsorção de H é exotérmica indicando uma maior estabilidade da superfície
β−SiC(001) hidrogenada. Aumentando o número de H adsorvido (hidrogenação até
a terceira camada) foi possível mostrar a formação de nanotúnel na superfície. Os
nanotúneis são pequenas cavidades presentes na subsuperfície da β−SiC(001). Na
presença dos nanotúneis o carácter semicondutor é preservado.
Com adsorção de átomos de Fe na β−SiC(001) as propriedades eletrônicas
e magnéticas são fortemente influenciadas. Existe a presença de um forte momento
magnético localizados nos átomos de Fe adsorvidos na β−SiC(001), que pode apresentar
características metálicas ou meio-metálicas. A interação entre os momentos
magnéticos favorece a uma interação do tipo antiferromagnética (AFM) se comparada
com a interação do tipo ferromagnética (FM).
As propriedades eletrônicas e magnéticas das nanofitas de SiC (SiCNFTs) são
dependentes das bordas. As SiCNFTs terminadas em H e com bordas armchair são
semicondutoras não magnéticas. No entanto, as propriedades eletrônicas e magnéticas
das SiCNFTs terminadas em H e com bordas zigzag dependem da largura da
fita e podem ser metálicas ou semicondutoras. Para as SiCNFTs na forma pristina, o
estado fundamental ocorre quando há uma interação do tipo ferrimagnética entre as
bordas.
A adsorção de Fe (átomo e dímero) em uma folha de SiC faz com que novos
níveis eletrônicos estejam presentes no gap e a folha de SiC apresenta propriedades
magnéticas. O momento magnético para o átomo de Fe adsorvido sobre a folha de
SiC é de 2 μB e para um dímero de Fe adsorvido este momento magnético é de 6 μB.
A adsorção de Fe (átomo ou dímero) sobre as SiCNFTs é mais estável nas bordas
das fitas. Dependendo da cobertura de Fe e das interações magnéticas podemos
obter metais, meio-metais, semicondutores ou mesmo semicondutores com polarização
de spin e gap nulo (SGS). Estes resultados mostram que nanoestruturas de SiC
funcionalizadas são importantes materiais para nanodispositivos.