Estudo das propriedades estruturais e eletrônicas das interfaces ZnO/ZnX (X=S, Se, Te e F2) via Teoria do Funcional da Densidade

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Flores, Efracio Mamani
• Orientador(a): Moreira, Mário Lúcio
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física
• Departamento: Instituto de Física e Matemática
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Física; DFT+U; ZnO/ZnX; Estrutura eletrônica; Electronic structure
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/handle/prefix/9585

O design de materiais adequados para aplicação em dispositivos eletrônicos tais como os eletrodos nas células solares do tipo Grätzel com e sem corante requerem um entendimento detalhado de suas propriedades estruturais e eletrônicas. A imensa maioria dos trabalhos existentes baseiam-se em abordagens experimentais, mas os cálculos ab initio surgiram como uma abordagem poderosa que complementa o experimento e serve como uma ferramenta preditiva para a identificação e caracterização de materiais para células solares, permitindo acessar e compreender fenômenos de origem eletrônica. Nesta tese, utilizou-se a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para estudar as propriedades estruturais e eletrônicas dos compostos ZnO/ZnX (X=S, Se, Te e F2), inicialmente na forma de bulks e por ´ultimo como interfaces ao longo da direção ZnO [10-10]. Para esse estudo teórico, utilizou-se a DFT, com o funcional de troca e correlação PBE, visto que nossos compostos de estudo possuem propriedades complexas (são materiais fortemente correlacionados), o que significa que as propriedades descritas pela DFT convencional (com o funcional PBE) são descritas de maneira imprecisa. A forte localização dos elétrons nos orbitais d nesses compostos ZnX complica a descrição por métodos que usam pseudopotenciais, de modo que eles são particularmente bem descritos com esquemas all electrons. Nesse cenário, temos duas metodologias alternativas, a primeira consistiu em usar funcionais híbridos (HSE), os quais possuem alto custo computacional, e a segunda em usar o método DFT+U (aproximação de Hubbard), cuja vantagem é possuir custo computacional consideravelmente menor. Portanto, empregamos as duas aproximações de caráter não-local com objetivo de discutir melhor as propriedades dos compostos estudados. Mostrou-se que ambas as metodologias são viáveis para materiais como ZnX, mas não em geral para todos os compostos ZnX. Empregando os funcionais híbridos, analisamos as propriedades estruturais e eletrônicas, dos compostos ZnX e ao mesmo tempo comparamos nossos resultados aos cálculos com DFT+U. Nosso estudo via cálculos de primeiros princípios revela que devido a compreensão dos processos de transferência de carga na interface ZnO/ZnX, é possível propor qual a melhor interface para aplicação em células solares sem corantes, onde o ZnX tem como objetivo substituí-lo. Nas interfaces usou-se o mesmo número de camadas de recobrimento após testes de convergência. Ao final o sistema ZnO/ZnSe mostrou-se o melhor candidato à aplicação, respeitando as condições apresentadas no presente trabalho.