Sistemas bidimensionais formados por silício e germânio: um estudo de primeiros princípios
Fecha
2015-07-14Metadatos
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ΓUtilizando cálculos de primeiros princípios dentro da Teoria do Funcional da Densidade
realizamos um estudo das principais propriedades estruturais, energéticas, eletrônicas
e óticas dos sistemas hidrogenados formados por silício (Si) e germânio (Ge) na
estrutura 2D (silicano e germanano). Os cálculos da parte energética foram realizados
usando a aproximação GGA-PBE para descrever a energia de troca e correlação. Para
uma melhor descrição da estrutura eletrônica usamos o funcional HSE06. Obtivemos que
o silicano e o germanano são semicondutores com valores de gap de energia de 2,94 eV
(indireto, onde o topo da banda de valência é localizado no ponto Γ e o fundo da banda de
condução é localizado no ponto M) e 1,61 eV (direto, onde o topo da banda de valência e
o fundo da banda de condução são localizados no ponto Γ). A análise das propriedades
óticas mostra que o germanano é superior ao silicano para aplicações na fotocatálise utilizando
a luz solar. Isto ocorre devido ao fato de que o germanano apresenta um espectro
de absorção ótica na região da luz visível e um gap de energia direto. Entretanto, para a
produção de H2 e de O2 a partir da quebra da molécula de H2O, ambos os materiais são
somente bons candidatos para a reação de redução da água.
Considerando a funcionalização química através da substituição de um átomo de
H por um átomo de N, P, S, Li, Na, K, Mg e Ca, temos que a presença destes átomos não
resulta em qualquer distorção na geometria do silicano e do germanano. Os valores das
energias de ligação mostram que os elementos não metálicos, N, P e S, adsorvidos no
lugar de um átomo de H apresentam os maiores valores de energias de ligação (maior
estabilidade) em comparação com os metais alcalinos (Li, Na e K) e com os metais alcalinos
terrosos (Mg e Ca). Os resultados mostram que a funcionalização química modifica
as propriedades eletrônicas introduzindo níveis de defeitos nos gap de energias das estruturas
eletrônicas de bandas em comparação com os sistemas pristinas. A utilização do
funcional HSE06 faz com que os valores dos gap de energias e os valores das funções
trabalho dos sistemas funcionalizados aumentem em comparação com os valores obtidos
com o funcional GGA-PBE. Observamos que para os sistemas funcionalizados existe
uma relação entre a energia de ligação e a função trabalho, ou seja, maior a energia de
ligação maior é o valor da função trabalho.
Consideramos também a dopagem química do silicano e do germanano com boro
e nitrogênio substituindo um átomo de Si ou um átomo de Ge. Observa-se que quando
um átomo de B substitui uma unidade SiH (GeH), os sistemas apresentam propriedades
semicondutoras, com um nível de defeito no gap de energia. A adsorção de um átomo
de H no átomo de B faz com que os valores das energias de formação diminuem e os
sistemas apresentam propriedades metálicas (alta concentração de B) ou semicondutoras
do tipo-p (baixa concentração de B). Quando um segundo átomo de H é adsorvido
no átomo de B, os sistemas apresentam os menores valores de energias de formação
e características semicondutoras. Para a dopagem com nitrogênio, temos que quando
um átomo de N substitui uma unidade SiH (GeH), os sistemas apresentam propriedades
semicondutoras com gap de energia direto no ponto Γ. A adsorção de um átomo de H no
átomo de N faz com que os valores das energias de formação diminuem (aumentem) no
germanano (silicano) e propriedades metálicas (alta concentração de N) ou semicondutoras
do tipo-n (baixa concentração de N) são observadas. Quando um segundo átomo
de H é adsorvido no átomo de N, a mesma tendência nas energias de formação é observada.
Os sistemas apresentam propriedades semicondutoras com níveis de defeitos nos
gap de energias devido a presença de ligações pendentes. Se átomos de H são adsorvidos
nos átomos de Si (Ge) com ligações pendentes, os sistemas são estabilizados com
valores de energias de formação negativos (os sistemas são exotérmicos).
Estes resultados mostram que os sistemas formados por Si e Ge hidrogenados na
estrutura 2D são excelentes candidatos para serem utilizados em dispositivos com várias
aplicações como na fotocatálise e na eletrônica.