Propriedades electrónicas de monocamadas de nitreto de boro

Abstract

A fronteira que separava o ramo da física de materiais com espessuras atómicas foi quebrada em 2004 quando pela primeira vez se isolou cristais de grafeno, sendo a relevância desta descoberta reconhecida pela comunidade cientifica através da entrega de um prémio Nobel aos cientistas envolvidos. A incidência de artigos a estudar as suas propriedades mostrou desde logo a esperança que existe na sua aplicação futura em tecnologias revolucionárias e possibilitou a descoberta de outros materiais bidimensionais que têm vindo a ser estudados nos últimos anos. O desenvolvimento das técnicas experimentais que permitem obter este tipo de materiais tornou imperativo o estudo aprofundado das suas propriedades intrínsecas ou conjugadas com outros materiais do mesmo tipo em estruturas denominadas de Van der Waals. O nitreto de boro bidimensional, também conhecido como grafeno branco, é um dos materiais que possui propriedades que podem complementar o grafeno em dispositivos electrónicos previstos para as próximas gerações. Muitas das propriedades mais interessantes deste material prendem-se com a existência de defeitos na sua rede cristalina, pelo que se torna lógico o estudo destes defeitos e das propriedades que estes possibilitam. Através de cálculos de primeiros princípios é possível juntar o conhecimento à experiência e é desta forma que, através de cálculos baseados na teoria do funcional da densidade, se observaram as alterações na estrutura electrónica do nitreto de boro bidimensional originadas por defeitos na sua rede cristalina. Pretende-se posteriormente aliar este estudo teórico a resultados experimentais, nomeadamente utilizando o espectro de perda de energia de electrões junto da borda (ELNES) e dessa forma caracterizar amostras relativamente aos defeitos existentes na sua rede. Do ponto de vista teórico é, também, importante obter modelos efectivos das bandas interessantes do material para que se possam estudar as suas propriedades electrónicas e ópticas e prever as suas potencialidades. Através da aproximação do electrão fortemente ligado deduziu-se um modelo efectivo das bandas de valência e condução junto do ponto K do nitreto de boro bidimensional, onde a dispersão é parabólica, que concorda com os resultados obtidos através dos cálculos de primeiros princípios feitos. Para concluir resta salientar que os resultados obtidos pelos cálculos de primeiros princípios revelaram diferenças significativas na estrutura electrónica da rede com e sem defeitos o que, em princípio, deverá permitir diferenciar o tipo de defeito existente na amostra. O modelo efectivo das bandas, devido à sua concordância com os resultados DFT, pode também ser utilizado para estudar interessantes propriedades deste material.

The frontier that separated the branch of physics from materials with atomic thickness was broken in 2004 when graphene crystals were isolated for the first time. The relevance of this discovery was recognized by the scientific community through the award of a Nobel Prize to the scientists involved. The incidence of articles studying their properties has already shown the hope that exists in their future application in revolutionary technologies and has enabled the discovery of other two-dimensional materials that have been studied in recent years. The development of the experimental techniques to obtain this type of materials made it imperative to study in depth their intrinsic properties or conjugated with other materials of the same type in structures called Van der Waals. Two-dimensional boron nitride, also known as white graphene, is one of the materials that has properties that can complement graphene in electronic devices which are predicted to exist in the next generations. Many of the most interesting properties of this material are related to the existence of defects in its crystalline lattice, so it becomes logical to study these defects and the properties they enable. Through first principles studies it is possible to combine knowledge with experience and, this way, based on the density functional theory (DFT), the changes in the electronic structure of the two-dimensional boron nitride originated by defects in its crystalline network are studied. It is intended to ally this theoretical study to experimental results, namely using the electron energy loss near edge spectrum (ELNES) and thus characterize samples with respect to defects in their network. From the theoretical point of view, it is also important to obtain effective models of the interesting bands of the material so that their electronic and optical properties can be studied and their potentialities predicted. An effective model of the valence and conduction bands near the K-point of the two-dimensional boron nitride, where the dispersion is parabolic, agrees with the results obtained by the calculations of first principles made. Finally, it should be pointed out that the results obtained by the first principles calculations showed significant differences in the electronic structure of the network with and without defects which, in principle, should make it possible to differentiate the type of defect in the sample. The effective band model, due to its agreement with DFT results, can also be used to study interesting properties of this material.