Nanodispositivos baseados em grafeno - Sousa, José Eduardo Padilha de (2012)
Nesta tese investigamos a partir de cálculos de primeiros princípios, dispositivos e componentes de dispositivos baseados em grafeno. Abordamos os campos da nanoeletrônica e da spintrônica. Dentro da nanoeletrônica investigamos: (i) propriedades de transporte de um nanotransistor de bicamada de grafeno na presença de um gate duplo. Demonstramos que sobre a ação de um campo elétrico externo, mesmo utilizando um gate da ordem de 10 nm, à temperatura ambiente e 4.5K uma corrente nula nunca é exibida. Esses resultados são explicados por um regime de tunelamento; (ii) propriedades eletrônicas e de transporte de multicamadas de grafeno em função do número de camadas e tipo de empilhamento entre elas. Mostramos que a estrutura eletrônica do sistema depende fortemente desse novo grau de liberdade de empilhamento. Na presença de um campo elétrico externo aplicado perpendicular ao sistema, o empilhamento do tipo Bernal nunca exibe um gap de energia, ao contrário do empilhamento romboédrico que exige um gap ajustável através da intensidade do campo. Mostramos também que é possível diferenciar os tipos de empilhamentos através da resistência do sistema e variando-se a temperatura; (iii) dentro das componentes de um nanotransistor mais realista, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais de: (a) bicamadas de grafeno sobre um substrato de nitreto de boro hexagonal. Neste sistema o limite de voltagens que podem ser aplicadas depende fortemente do número de camadas de h-BN e da direção do campo, onde quanto menos camadas maior é a voltagem que pode ser aplicada; (b) heteroestruturas compostas de bicamadas de grafeno, nitreto de boro hexagonal e cobre. Demonstramos que para uma aplicação direta em um dispositivo a configuração com uma bicamada de grafeno depositada sobre um substrato de h-BN e este conjunto sobre a superfície de cobre é a mais favorável. Nessa configuração é possível tanto controlar o gap na bicamada como a dopagem do sistema, sem a abertura de canais de condução através do dielétrico (h-BN). Dentro do campo da spintrônica estudamos: (i) propriedades de transporte das nanofitas de grafeno (GNR) (3,0) pristinas e dopadas com boro e nitrogênio. Para as GNR pristinas mostramos com os eletrodos em um alinhamento de spin anti-paralelo o sistema apresenta um comportamento de filtro de spin, onde para tensões de bias positivos/negativos somente o canal up/down conduz. Para as GNR dopadas com boro e nitrogênio, mostramos que as correntes para os diferentes canais de spin são não degeneradas ao longo de todo o intervalo de tensões aplicadas, apresentando desse modo um comportamento de filtro de spin; (ii) finalmente estudamos as propriedades de transporte de uma junção túnel magnética, composta de GNR intercaladas por uma nanofita de nitreto de boro hexagonal. Mostramos que esse sistema pode ser utilizado tanto como filtros de spin como elementos para dispositivos de magnetoresistência gigante, onde para este último a sua eficiência é muito mais pronunciada.