Controle de propriedades eletrônicas através de deformação mecânica em estruturas bidimensionais do tipo bifenileno

Abstract

Resumo: A rede de Bifenileno (Biphenylene Network, ou BPN) é uma estrutura bidimensional alotrópica do carbono de hibridização do tipo sp2 com formato semelhante à do grafeno, com a diferença de que possui quadrados e octógonos em adição aos famosos hexágonos em sua geometria e possui consequentemente propriedades eletrônicas distintas. Tal estrutura foi apenas recentemente sintetizada por um processo químico complexo, fato que despertou o interesse do nosso grupo de pesquisa em estudar suas propriedades mecânicas e eletrônicas. Nosso objetivo é explorar as propriedades eletrônicas do BPN em equilíbrio mecânico e aplicar um processo de estiramento em duas direções diferentes da estrutura para responder à pergunta de como sua estrutura eletrônica se modifica na presença dessa deformação. Analisamos as propriedades eletrônicas do BPN (Densidade de Estados e Estrutura de Bandas), assim como a do grafeno para comparação, e utilizamos esses dados para classificar as estruturas como isolantes, condutoras ou semicondutoras. Para nossos cálculos, utilizamos o método da Teoria do Funcional da Densidade baseado em Tight-Binding (DFTB), implementado computacionalmente através do Software DFTB+. O método DFTB é uma expansão no termo de energia utilizado no método da Teoria do Funcional da Densidade (DFT). O DFTB+ tem se tornado muito popular visto que, sendo um método aproximado do DFT, oferece tempos computacionais extremamente baixos para resultados precisos se comparados com Softwares que empregam o método DFT (como o CASTEP). Através da Densidade de Estados e da Estrutura de Bandas obtidas, foi possível classificar o BPN como sendo um semimetal, assim como obter resultados semelhantes aos da literatura para as propriedades do grafeno. Além disso, observamos que a aplicação de um estiramento no BPN rende respostas diferentes para cada direção, sendo que na direção y a estrutura mantém seu comportamento semimetálico e na direção x ocorre uma transição de semimetal para semicondutor, visto que observamos o aparecimento de um gap de energia. Tais respostas mecânicas podem ser futuramente utilizadas na criação de dispositivos nanoestruturados.

Abstract: The Biphenylene Network (BPN) is a two-dimensional carbon allotrope with sp2 hybridization, similar in shape to graphene, but with the addition of squares and octagons in addition to the famous hexagons in its geometry, resulting in distinct electronic properties. This structure was only recently synthesized through a complex chemical process, which piqued the interest of our research group in studying its mechanical and electronic properties. Our objective is to explore the electronic properties of BPN under mechanical equilibrium and apply a stretching process in two different directions to investigate how its electronic structure is modified under deformation. We analyzed the electronic properties of BPN (Density of States and Band Structure), as well as that of graphene for comparison, and used this data to classify the structures as insulators, conductors, or semiconductors. For our calculations, we used the Density Functional based Tight-Binding (DFTB) method implemented computationally through the DFTB+ software. The DFTB method is an expansion of the energy term used in the Density Functional Theory (DFT) method. DFTB+ has become popular because, as an approximate method of DFT, it offers extremely low computational times for accurate results compared to softwares employing the DFT method (such as CASTEP). Based on the obtained Density of States and Band Structure, BPN was classified as a semimetal, and similar results to the literature were obtained for the properties of graphene. Furthermore, we observed that the application of stretching to BPN yields different responses in each direction, with the structure maintaining its semimetallic behavior in the y-direction, while a transition from semimetal to semiconductor occurs in the x-direction, as evidenced by the emergence of an energy gap. These mechanical responses can potentially be utilized in the creation of nanostructured devices in the future.