Propriedades eletrônicas de estruturas do tipo Schwarzitas baseadas em carbono

Abstract

Resumo: Schwarzitas são estruturas 3D de curvatura negativa classificadas de acordo com a simetria de sua célula unitária e agrupadas em famílias. As integrantes da família P possuem estruturas hexagonais conectadas por octógonos e a diferença geométrica entre elas consiste no número de hexágonos entre as regiões octogonais. Nosso objetivo é explorar as propriedades eletrônicas de algumas Schwarzitas da família P baseadas em carbono, sendo elas P8-0, P8-1, P8-3 e P8-7. Avaliamos o comportamento da estrutura eletrônica à medida que a porosidade (região grafênica) aumenta e classificamos estes materiais como isolantes, semicondutores ou condutores através de sua estrutura de banda. Utilizamos o método do Funcional da Densidade baseado em Tight-Binding (DFTB em inglês) implementado computacionalmente através do software DFTB+. Este método é obtido através de uma aproximação na expressão da energia total da Teoria do Funcional da Densidade (DFT em inglês). O DFTB+ vem se mostrando cada vez mais eficaz no cálculo de problemas que envolvem estruturas cristalinas. Ele é capaz de apresentar uma solução numérica com grande precisão e baixo tempo de processamento computacional, se comparado com os softwares do modelo DFT (CASTEP e SIESTA, por exemplo). Através da densidade de estados, nós demonstramos que quando a região de hexágonos aumenta (menor na P8-0 e maior na P8-7) as estruturas demonstram, progressivamente, curvas de densidade semelhantes ao grafeno. Além disso, analisando o gap de energia das bandas de cada estrutura, demonstramos que a P8-0 se comporta como um condutor, apresentando um gap de 0 eV no nível de Fermi. As estruturas P8-1, P8-3 e P8-7 possuem energias aproximadas de 1,2 eV, 0,2 eV e 0,4 eV, respectivamente. Sendo assim, foram classificadas como semicondutoras. Estas estruturas apresentam propriedades que podem ser importantes no aprimoramento e na criação de nanodispositivos.

Abstract: Schwartzites are 3D negative curved structures classified by the symmetry of unit cell and grouped within families. Members of P family have hexagonal structures connected by octagons and the geometrical difference among them consists of the number of hexagons between octagonal regions. We aim to explore the electronical properties of some P family carbon-like Schwartzites, named P8-0, P8-1, P8-3, and P8-7. We evaluated the behavior of the electronic structure insofar as the porosity (graphenic regions) increases and we classified these materials as insulating, semiconductor, or conductor by their structural bands. We used the Density Functional based Tight-Binding method DFTB+ computationally implemented through DFTB+ software. This method is obtained from an approximation of the total energy expression of the Density Functional Theory (DFT). The DFTB+ has been increasingly effective on the calculation of problems involving crystalline structures. It is capable of presenting a numerical solution with great precision and low computational processing time, if compared to the DFT model softwares (CASTE and SIESTA, for example). Through density of states, we show that when the hexagonal region increases (smaller in P8-0 and larger in P8-7) the structures demonstrate, progressively, density curves similar to graphene. Moreover, analyzing the energy band gap of each structure, we show that P8-0 behaves as a conductor, presenting a 0 eV gap on Fermi level. Structures P8-1, P8-3, and P8-7 has energies around 1.2 eV, 0.2 eV, and 0.4 eV, respectively. Therefore, they were classified as semiconductors. These structures have properties that can be important in the improvement and creation of nanodevices.