Theoretical study of sensors based on CNx nanotubes with ab initio calculations. / Estudo teórico de sensores baseados em nanotubos Cnx, utilizando cálculos ab initio.

AUTOR(ES)

Mariana Rossi Carvalho

DATA DE PUBLICAÇÃO

2007

RESUMO

Resumo O presente trabalho teve como motivação a medida experimental feita em 2004, reportada na Referência [1], de que nanotubos de carbono dopados com nitrogênio eram sensíveis a gases como a amônia. Essa sensibilidade resulta num aumento da resistência dos tubos quando expostos à amônia, o que os faz bons candidatos para a construção de sensores. Cálculos ab initio foram feitos no programa SIESTA [2] usando DFT [3, 4] na aproximação GGA [5] para estudar a estrutura eletrônica do defeito de nitrogênios proposto pelos experimentais, o qual consiste de uma vacância rodeada por três anéis do tipo piridina. As simulações foram feitas para um nanotubo (5, 5) com aproximadamente 140 átomos. Foi considerada a aproximação de supercélula com condições periódicas de contorno e pseudo-potenciais. A amônia se liga ao defeito mencionado com uma energia de ligação de ?0.26 eV e nesse processo ela se dissocia espontaneamente em um grupo amina (NH2) ligado a um nitrogênio do defeito e um hidrogênio ligado a outro. A transmitância desse sistema foi calculada com o programa TRANSAMPA [6], o qual utiliza o formalismo de funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) [6?8] para o cálculo de transporte de cargas. O resultado obtido é que a transmitância do sistema com a amônia ligada é maior do que a referente ao sistema somente com o defeito, o que é contrário à observação experimental. Deu-se início a um estudo sistemático de possíveis defeitos de nitrogênios substitucionais em nanotubos para que fosse possível determinar aquele com a menor energia de formação, o qual seria, por esse motivo, mais abundante numa amostra de tubos dopados. Foram feitos cálculos de energia total para 16 defeitos no tubo (5, 5), 3 no tubo (8, 0) e 3 na folha de grafeno. No tubo (8, 0) foram usados aproximadamente 160 átomos na simulação e na folha de grafeno em torno de 162. O defeito composto por uma divacância rodeada por quatro anéis do tipo piridina se mostrou o mais estável em todos os sistemas, para potenciais químicos do nitrogênio na faixa dos encontrados nos experimentos (?N >0.5 eV, onde ?N = 0.0 eV é o potencial químico do nitrogênio no N2). A amônia se liga a este novo defeito com uma energia de ligação ligeiramente exotérmica, de ?0.02 eV e novamente se dissocia espontaneamente da mesma maneira que no defeito de três nitrogênios com vacância. A transmitância do sistema ligado, no entanto, se provou menor do que no tubo só com o defeito, o que entra em acordo com o resultado de aumento da resistência provocado pela exposição à amônia observado experimentalmente.

ASSUNTO(S)

nanotubos de carbono nitrogen ammonia sensors. sensores. nitrogênio sensores dft. carbon nanotubes amônia

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