Estudos de propriedades eletrônicas e estruturais de nanoestruturas tubulares com estequiometria BxCyNz selecionadas
Resumo
O interesse em materiais compostos por boro (B), carbono (C) e nitrogênio (N) tem se intensificado devido ao seu grande potencial de aplicabilidade e também por serem candidatos promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em nanoescala. A grande semelhança estrutural entre o grafite e o nitreto de boro hexagonal motivou a síntese das estruturas BxCyNz, onde espera-se que as propriedades de tais compostos híbridos sejam intermediárias entre as do grafite semimetálico e as do BN hexagonal semicondutor. Além disso, as propriedades mecânicas destes compostos podem ser similares àquelas do diamante e BN cúbico, o que permite a perspectiva de novos materiais superduros. Neste trabalho foram investigadas as propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas de nanotubos BxCyNz (formados pela conexão intercalada de faixas de C e BN ao longo do eixo do tubo) através de cálculos de primeiros princípios. O objetivo é observar deformações nas estruturas tubulares, ordem de importância de fatores que determinam a estabilidade (diâmetro, número e tipo de ligações químicas e deformação da estrutura) e alterações na estrutura eletrônica dos sistemas estudados. Realizamos cálculos para a estequiometria BC8N com quiralidade zigzag ((10,0), (20,0), (30,0) e (40,0)) e armchair ((10,10), (20,20), (30,30) e (40,40)). Além disso, para as configurações (10,0) e (10,10), analisamos também as estequiometrias BC3N, B3C4N3 e B2CN2. Observamos que para tubos de menor diâmetro ocorreram maiores deformações, com uma menor distância entre as faixas de carbono, em relação as faixas de boro e nitrogênio. Porém, conforme o aumento do diâmetro do tubo ocorre uma inversão deste comportamento, com a distância entre as faixas de BN menor que a distância para as de C. Pela análise energética observamos que a presença de BN nas estruturas aumenta a estabilidade. Além disso, observou-se que a estabilidade aumenta com o aumento do diâmetro, porém ocorre uma saturação do valor da energia para diâmetros a partir de 40,69 Å para tubos armchair e 31,32 Å para tubos zigzag. Finalmente, o efeito de achatamento nas estruturas de menores diâmetros melhoraram a estabilidade dos nanotubos. A análise eletrônica mostrou que os tubos BC8N armchair são metálicos, independente do diâmetro, enquanto que os zigzag apresentam, em geral, um pequeno gap de energia que varia entre 0,2 eV a 0,4 eV. Analisando os tubos de mesmo diâmetro, temos que o gap de energia nas estruturas armchair depende exclusivamente da composição dos mesmos, aumentando com o aumento da concentração de BN nos nanotubos. Já para os zigzag, temos quase um valor constante de 1,2 eV para o gap de diferentes estequiometrias, menos para a estequiometria BC8N que apresentou um gap de 0,4 eV.