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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39423
Tipo: Tese
Título: Dopagem substitucional em nanofitas de grafeno com borda zigue-zague: estabilidade, estrutura eletrônica e resposta óptica preliminar via DFT
Autor(es): Cavalcante, Carlos Rodrigo Moura
Orientador: Azevedo, Sérgio André Fontes
Membro da Banca: Bernardo, Bertúlio de Lima
Membro da Banca: Mota, Elder Augusto Viana
Membro da Banca: Passerat de Silans, Thierry Marcelino
Membro da Banca: Medeiros, Susane Eterna Leite
Resumo: A ausência de um band gap intrínseco no grafeno restringe sua aplicação em dispositivos nanoeletrônicos lógicos, motivando a investigação de nanoestruturas como as nanofitas de grafeno com borda zigue-zague (ZGNRs). Embora o confinamento quântico lateral promova a abertura de um band gap nas ZGNRs associado ao ordenamento antiferromagnético interbordas, a alta reatividade de suas bordas puras exige passivação e modulação, como a dopagem substitucional. Esta tese investiga sistematicamente a estabilidade termodinâmica, a estrutura eletrônica e a resposta óptica de ZGNRs puras e dopadas com nitrogênio ou boro nas bordas, em função da largura da fita (n = 2 a 16). Empregou-se a teoria do funcional da densidade, utilizando o funcional PBE para otimização geométrica e o híbrido HSE06 para mitigar o erro de autointeração e obter melhores descrições quantitativas dos estados eletrônicos e do band gap. As propriedades ópticas foram estudadas no âmbito da Aproximação da Partícula Independente. Os resultados revelam que a dopagem com nitrogênio induz leve contração na rede com baixo custo energético, preservando a estabilidade global do sistema de forma análoga às fitas puras. Em contrapartida, a dopagem com boro apresenta maior custo energético, em especial no regime de forte confinamento. A análise da estrutura eletrônica demonstra que todas as nanofitas operam como semicondutores de gap pequeno, cuja magnitude decai assintoticamente com o alargamento. Verificou-se que a dopagem com nitrogênio preserva a sintonizabilidade geométrica do band gap e induz um spin splitting nos estados de borda da ordem de 0,2 eV. Nas fitas dopadas com boro, observou-se forte localização espacial do estado de borda associado quase exclusivamente ao orbital px do dopante, conferindo estabilidade à magnitude do band gap frente a variações na largura. No domínio óptico, identificou-se um redshift do limiar de absorção com o alargamento da nanofita; adicionalmente, a dopagem com boro promove expressiva redistribuição da força de oscilador, intensificando a absorção no ultravioleta (4,0 a 6,0 eV). Demonstrou-se também que os efeitos ópticos de borda perdem relevância para larguras n ≥ 14, em que as transições da porção central tipo grafeno passam a dominar. Conclui-se que as ZGNRs dopadas com N despontam como candidatas para arquiteturas de lógica de spin e optoeletrônica sintonizável, enquanto as dopadas com B apresentam-se promissoras para aplicação em filtros de spin, consolidando um mapa preditivo relevante para o design de nanodispositivos baseados em carbono.
Abstract: The absence of an intrinsic band gap in graphene restricts its application in logic nanoelectronic devices, motivating the investigation of nanostructures such as zigzag graphene nanoribbons (ZGNRs). Although lateral quantum confinement promotes the opening of a band gap in ZGNRs associated with inter-edge antiferromagnetic ordering, the high reactivity of their pristine edges requires passivation and modulation, such as substitutional doping. This thesis systematically investigates the thermodynamic stability, electronic structure, and optical response of pristine ZGNRs and those edge-doped with nitrogen or boron, as a function of the ribbon width (n = 2 to 16). Density functional theory was employed, using the PBE functional for geometric optimization and the hybrid HSE06 functional to mitigate the self-interaction error and obtain better quantitative descriptions of the electronic states and the band gap. The optical properties were studied within the framework of the independent particle approximation. The results reveal that nitrogen doping induces a slight lattice contraction with a low-energy cost, preserving the global stability of the system in a manner analogous to pristine ribbons. In contrast, boron doping presents a higher energy cost, especially in the strong confinement regime. The electronic structure analysis demonstrates that all nanoribbons operate as narrow-gap semiconductors, whose magnitude decays asymptotically with widening. It was verified that nitrogen doping preserves the geometric tunability of the band gap and induces a spin splitting in the edge states on the order of 0.2 eV. In boron-doped ribbons, a strong spatial localization of the edge state was observed, associated almost exclusively with the px orbital of the dopant, conferring stability to the magnitude of the band gap against variations in width. In the optical domain, a redshift of the absorption threshold was identified with the widening of the nanoribbon; additionally, boron doping promotes a significant redistribution of the oscillator strength, intensifying absorption in the ultraviolet range (4.0 to 6.0 eV). It was also demonstrated that optical edge effects lose relevance for widths n ≥ 14, where transitions from the graphene-like central portion begin to dominate. It is concluded that N-doped ZGNRs emerge as candidates for spin logic architectures and tunable optoelectronics, while B-doped ones are promising for application in spin filters, consolidating a relevant predictive map for the design of carbon-based nanodevices.
Palavras-chave: Estados de borda
Dopagem de borda
Efeitos de escala
Confinamento quântico
Spintrônica
Edge states
Edge doping
Scale effects
Quantum confinement
Spintronics
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Física
Programa: Programa de Pós-Graduação em Física
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39423
Data do documento: 23-Jul-2026
Aparece nas coleções:Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Física

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