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Type: TESE
Title: Propriedades mecânicas e eletrônicas de nanofios de cobre e ouro
Title Alternative: Mechanical and electronic properties of copper and gold nanowires
Author: Amorim, Edgard Pacheco Moreira
Advisor: Silva, Edison Zacarias da, 1952-
Abstract: Resumo: A necessidade de ampliar a capacidade de processamento computacional produziu um intenso esforço científico e tecnológico para produzir circuitos eletrônicos cada vez menores. Recentemente, resultados experimentais e teóricos estabeleceram que nanofios de cobre e ouro sob tensão evoluem para cadeias atômicas, o menor condutor possível. Neste trabalho, utilizando dinâmica molecular tight-binding observamos a evolução dinâmica de nanofios de cobre sob tensão nas direções cristalográficas [100], [110] e [111] elongando-os até a ruptura. As estruturas obtidas antes da ruptura foram usadas para iniciar os cálculos de primeiros-princípios baseado na teoria do funcional da densidade nas aproximações de densidade local e gradiente generalizado (LDA e GGA) até observamos novamente a ruptura. O nanofio elongado na direção [111] foi dopado com impurezas de H, B, C, N, O, S e N2 e elongado para verificarmos como as impurezas afetam suas propriedades estruturais e eletrônicas. Constatamos um efeito mecanoquímico devido a inserção de N e N2 que formam ligações p-d estáveis e muito fortes, causando o rearranjo das pontas adicionando mais átomos a cadeia atômica linear, sugerindo que nanofios unidimensionais maiores poderiam ser obtidos se produzidos em atmosferas nitrogenadas. Observamos as diferenças e similaridades na evolução dinâmica de nanofios de cobre e ouro elongados na direção [111]. Em ambos os metais, o primeiro rearranjo significativo ocorre devido a um átomo do interior do nanofio que vai para sua superfície. Objetivando compreender melhor este efeito, consideramos suas configurações ocas ou de camada única. Comparamos as forças calculadas suportadas pelos nanofios e mostramos que os nanofios de parede única podem suportar forças maiores antes do seu primeiro rearranjo estrutural em ambos os metais comparados aos nanofios originais. Investigamos também a dependência das forças máximas sustentadas pelos nanofios de parede única com respeito ao diâmetro. Nossos resultados sugerem que nanofios de cobre suportam mais tensão uniaxial do que os de ouro além de evoluir para cadeias atômicas lineares menores, indicando uma menor maleabilidade do cobre comparado ao ouro, como observado no sólido macroscópico. Experimentos mostraram que nanofios de ouro formados ao longo da direção [110] reconstroem sob tensão como estruturas helicoidais. Através de sua evolução dinâmica, nossos cálculos mostram que estes nanofios intrinsecamente tornam-se helicoidais devido aos planos (111) compactos que formam um ângulo com a direção de elongação mantendo o registro do seu arranjo angular inicial, além da tendência dos átomos do interior migrarem para sua superfície reconstruindo-a como {111} que é a superfície de mais baixa energia livre. Estes nanofios evoluem sob tensão formando cadeias atômicas lineares mais longas do que nanofios elongados em outras direções porque suas pontas são menos simétricas. Na configuração próxima a ruptura, estudamos a estrutura eletrônica de átomos de diferentes coordenações com cálculos ab-initio na aproximação GGA. Consideramos também outros nanofios [110] de diferentes diâmetros e comprimentos, mostrando que também evoluem para estruturas helicoidais. Discutimos porque este comportamento é observado em nanofios de ouro e inexiste no cobre embora sejam metais isoeletrônicos

Abstract: The search to increase the computational processing capability produced intense scientic and technological efforts to make electronic circuits smaller. Recently, experimental and theoretical results established that copper and gold nanowires under tension evolve to atomic chains, the smallest conductors possible. In this work, using tight-binding molecular dynamics, we observing the dynamical evolution of copper nanowires under tension along [100], [110] and [111] crystallographic directions until their rupture. The structures obtained before the rupture were used to start first-principles calculations based on the density functional theory in the local density and generalized gradient approximations (LDA and GGA) until we observed their rupture again. The nanowire elongated in the [111] direction was doped with H, B, C, N, O, S and N2 and it was pulled to verify how the impurities affect its structural and electronic properties. We found a mechanochemical effect due to the insertion of N and N2 which form stable and very strong p-d bonds, causing the rearrangement of tips, adding more atoms to the linear atomic chain, suggesting that larger one-dimensional nanowires could be obtained if produced in nitrogen atmospheres. We observe the differences and similarities in the dynamical evolution of copper and gold nanowires elongated along [111] direction. In both metals, the first signicant arrangement occurs due to one atom from inside the nanowire which goes to the surface. To achieve a better understanding about this effect, we considered their hollow configurations or single wall nanowires. We compare the calculated sustained forces by the nanowires and we show that single wall nanowires can support larger forces before their first structural rearrangement in both metals compared to the original nanowires. We also investigate the dependence of maximum sustained forces by the single wall nanowires with their diameters. Our results suggest that copper nanowires support more uniaxial tension than the gold ones besides to evolve to smaller linear atomic chains, suggesting a smaller malleability of copper when compared with gold, as observed in bulk. Experiments showed that gold nanowires formed along the [110] direction reconstruct under tension as helicoidal structures. Through the dynamical evolution, our calculations show that these nanowires become helicoidal due to the (111) compact planes which form at an angle with the elongation direction keeping registry of their initial angular arrangement, besides the tendency of inside atoms going to their surface reconstructing as {111} surface which is the lower free energy surface. These nanowires evolve under tension forming longer linear atomic chains than the nanowires pulled along other directions because their tips are less symmetrical. In a configuration close the rupture, we studied the electronic structure of distinct coordination atoms with ab-initio calculations in GGA approximation. We also considered other [110] nanowires with different diameters and lengths showing that they also evolve to helicoidal structures and we discuss why this behavior is observed in gold nanowires and nonexistent in cooper, even so these metal are isoelectronics
Subject: Nanofios
Dinâmica molecular
Ab initio
Cobre
Ouro
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2010
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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