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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15694
Tipo: | Dissertação |
Título: | Estudo computacional sobre o transporte elétrico e térmico em materiais à base de carbono |
Autor(es): | Silva, Jonathan Augusto da |
Primeiro Orientador: | Silva, Júlio Cosme Santos da |
metadata.dc.contributor.referee1: | Venâncio, Mateus Fernandes |
metadata.dc.contributor.referee2: | Barbosa, Cintya D'Angeles do Espírito Santo |
Resumo: | O surgimento da nanotecnologia catalisou uma tendência já bastante estabelecida na eletrônica: a miniaturização. A busca por dispositivos cada vez menores e mais eficientes levou ao surgimento de um campo promissor conhecido como eletrônica molecular. O primeiro trabalho nesse sentido foi apresentado por Aviram e Ratner, em 1970, quando propuseram que uma molécula poderia funcionar como um retificador de corrente. A partir dessas ideias, vários trabalhos foram realizados na busca por novos dispositivos nanoeletrônicos, e é nessa linha que o presente trabalho foi desenvolvido. Neste estudo, foi investigado o potencial de materiais à base de grafeno como dispositivos de junção molecular para aplicações em eletrônica molecular. A análise foi realizada considerando sistemas estendidos compostos por uma molécula de pireno como fio condutor e grafeno e azagrafeno como eletrodos. Os espectros de transmissão, condutâncias e coeficientes de Seebeck para cada sistema foram calculados utilizando uma abordagem computacional que combinou a teoria de espalhamento de Landauer-Büttiker e a Teoria do Funcional da Densidade. Os resultados obtidos ao nível B3LYP-D3/6-31G(d) mostram que os sistemas investigados apresentam condutâncias da mesma ordem de grandeza das medidas e calculadas para dispositivos compostos por materiais metálicos (10−3 a 10−5 ). Os valores de condutâncias (G/G0) calculados, de 6,20 × 10−4 e 1,80 × 10−5 , referentes aos sistemas à base de grafeno e aza-grafeno, respectivamente, indicam que o sistema de grafeno possui uma condutância aproximadamente 10 vezes maior que a do sistema de azagrafeno. Os cálculos dos coeficientes termoelétricos para os sistemas analisados indicam que o material à base de grafeno é mais eficiente do que o material de azagrafeno na conversão de energia térmica em elétrica. Os valores obtidos a 60 K foram de 45 e 400 (µ𝑉. 𝐾−1 ) para os sistemas de azagrafeno e grafeno, respectivamente. Esses valores são da mesma ordem de magnitude dos medidos para materiais à base de ouro metálico. Os resultados também indicam que os mecanismos de transporte para os dois sistemas são de naturezas distintas. No caso do sistema de grafeno, o transporte é majoritariamente mediado pelo orbital LUMO, enquanto no dispositivo com aza-grafeno, o transporte é associado ao orbital HOMO. Esses achados ressaltam a dependência das propriedades de transporte elétrico e térmico com a estrutura molecular e a natureza química dos constituintes. Resultados obtidos a partir de modificações químicas feitas pela inserção do grupo 𝑁𝑂2 em posições específicas do pireno (fio condutor) indicam um aumento na condutividade em comparação ao sistema sem modificação. A análise geral dos dados obtidos sugere que ambos os materiais à base de carbono investigados são potenciais candidatos como materiais termoelétricos. |
Abstract: | The emergence of nanotechnology catalyzed a well-established trend in electronics: miniaturization. The pursuit of increasingly smaller and more efficient devices led to the development of a promising field known as molecular electronics. The first work in this area was presented by Aviram and Ratner in 1970, when they proposed that a molecule could function as a current rectifier. Building on these ideas, several studies have been conducted in the search for new nanoelectronic devices, and it is within this framework that the present work was developed. In this study, the potential of graphene-based materials as molecular junction devices for applications in molecular electronics was investigated. The analysis was conducted considering extended systems composed of a pyrene molecule as a conductive wire and graphene and aza-nanographene as electrodes. The transmission spectra, conductances, and Seebeck coefficients for each system were calculated using a computational approach that combined Landauer-Büttiker scattering theory and Density Functional Theory. The results obtained at the B3LYP-D3/6-31G(d) level show that the investigated systems exhibit conductances of the same order of magnitude as those measured and calculated for devices composed of metallic materials (10−3 to 10−5 ). The calculated conductance values (G/G0) of 6,20 × 10−4 and 1,80 × 10−5 for the graphene-based and aza-graphene-based systems, respectively, indicate that the graphene system has a conductance approximately 10 times higher than that of the aza-graphene system. The calculations of the thermoelectric coefficients for the analyzed systems indicate that the graphene-based material is more efficient than the aza-graphene material in converting thermal energy into electrical energy. The values obtained at 60 K were 45 and 400 (µ𝑉.𝐾 −1 ) for the aza-graphene and graphene systems, respectively. These values are of the same order of magnitude as those measured for gold based metallic aterials. The results also indicate that the transport mechanisms for the two systems are of different natures. In the case of the graphene system, the transport is predominantly mediated by the LUMO orbital, while in the aza-graphene device, the transport is associated with the HOMO orbital. These findings highlight the dependence of electrical and thermal transport properties on the molecular structure and chemical nature of the constituents. Results obtained from chemical modifications made by the insertion of the 𝑁𝑂2 group in specific positions of the pyrene (conductive wire) indicate an increase in conductivity compared to the unmodified system. The overall analysis of the obtained data suggests that both investigated carbon-based materials are potential candidates as thermoelectric materials. |
Palavras-chave: | Eletrônica molecular Junção molecular Nanodispositivos de grafeno Azagrafeno Propriedades termoelétricas Molecular Electronics Single-molecule Junction Graphene nanodevices Aza-nanographene Thermoelectric Properties |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Química e Biotecnologia |
Citação: | SILVA, Jonathan Augusto da. Estudo computacional sobre o transporte elétrico e térmico em materiais à base de carbono. 2025. 59 f. . Dissertação (Mestrado em Química e Biotecnologia) – Programa de Pós-Graduação em Química e Biotecnologia, Instituto de Química e Biotecnologia, Universidade Federal de Alagoas, 2024. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15694 |
Data do documento: | 31-jul-2024 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IQB |
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