Fósforo Preto, Água e Fosforeno: Estudo Teórico - Carvalho, Eduardo Santos (2020)
Ultimamente, o Fósforo Preto (Black Phosphorus, P) tem sido muito estudado devido às suas propriedades eletrônicas anisotrópicas, assim como seu equivalente 2D, o Fosforeno, que pode ser obtido pela esfoliação do BP. Neste trabalho apresentamos um estudo teórico, através de cálculos ab initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e na DFT híbrida (DFTh), a qual é definida pela inclusão de uma fração de troca exata para obter conformidade com o teorema de Koopmans. Utilizamos uma metodologia para obtenção de de maneira internamente consistente (sem ajustes baseados em dados experimentais), indo para isso além da teoria do campo médio através da abordagem G0W0 . Estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas do BP, mono e multicamada de Fosforeno, incluindo a esfoliação do BP pela água. Começando pelas propriedades estruturais, estudamos a seguir as propriedades eletrônicas analisando nanoflocos de Fosforeno, nanofitas, monocamada bem como multicamadas (2 e 3) de Fosforeno e o próprio BP. O foco foi determinar a fração de troca exata incluída na DFT. Para a monocamada de Fosforeno, é necessária fração de troca exata internamente consistente de 45%, para a bicamada 40.8% e para a tricamada 37.1%. Para o BP propomos outra metodologia (baseada no ajuste pela massa efetiva de buraco mais significativa) com a qual obtivemos de 21%. Em seguida estudamos a proposta de esfoliação por água, que é interessante e é alcançada experimentalmente por sonicação - ondas sonoras ou ondas de pressão. Quanto à interação com a água, estudamos moléculas de água sobre nanoflocos, nanofitas, plano infinito de Fosforeno e uma nanofita depositada sobre um biplano (um degrau na superfície de BP), todos com DFT simples. Vemos uma preponderância de interações de dispersão e que quando moléculas são incialmente já inseridas entre camadas e próximo à borda de um degrau, a água tende a abrir o degrau e não é expulsa da estrutura. Quanto a esfoliação aquosa propriamente dita, simulamos a interação das moléculas de água com o degrau próximo à entrada do mesmo, mas do lado externo. A sonicação foi simulada impondo forças iniciais sobre as moléculas de água. Vemos que a esfoliação com água realmente pode ocorrer, mas a sonicação é necessária para iniciar o processo.