Propriedades estruturais, eletrônicas e funcionalização de nanotubos de AlN e GaN

Abstract

As pesquisas acerca de nanotubos têm se intensificado nos últimos anos devido as suas propriedades únicas, que os tornam candidatos naturais para muitos dispositivos. A junção de dois diferentes elementos pode formar compostos que conferem novas propriedades ou melhorar propriedades existentes associadas com um ou ambos os materiais envolvidos na composto. Ademais, em razão de seu tamanho reduzido, grande área superficial e estabilidade, os nanotubos podem ser vistos como uma alternativa aos materiais utilizados como sensores de gás. Deste modo, foram analisadas as propriedades dos nanotubos de nitreto de Alumínio e Gálio (AlN e GaN, respectivamente) de uma (SWNT) e duas camadas (DWNT), e os nanotubos compostos de duas camadas (Al0,5Ga0,5N e Ga0,5Al0,5N), usando a teoria do funcional da densidade (DFT). Observamos que a emissão dos SWNTs é alterada da região UV profundo para a região azul do espectro eletromagnético na região dos nanotubos de dupla camada de GaN (DWGaNNT). Para os nanotubos compostos, a emissão ocorre nas regiões de UVA e UVB para, respectivamente, o Al0,5Ga0,5N e Ga0,5Al0,5N. Analisou-se, além disso, o impacto da deformação mecânica aplicada em todos os nanotubos. Observamos também que, com a deformação pela tensão, a energia de band gap diminui enquanto a piezoeletricidade aumenta. De todos os nanotubos zigzags analisados, SWAlN, DWAlN e Al0,5Ga0,5N exibiram as maiores constantes piezoelétricas. A análise de densidade eletrônica revela que os nanotubos compostos podem ser utilizados para fabricar um sensor duplo de gás seletivo e que a funcionalização, por meio de uma interface ou pela aplicação de uma tensão, pode ser usada para modular as propriedades dos materiais. Para os nanotubos armchair, foi verificado que o NH3 se adsorve preferencialmente ao cátion axial da parede externa. As energias de adsorção, propriedades eletrônicas, ponto crítico de ligação e transferência de carga mostram que a fisissorção ocorre e que a interação é particularmente intensa na parede de AlN, com isso, o composto com o GaN na parede interna e o AlN na parede externa se mostraram um bom candidato para o sensor de NH3.

Researches on nanotubes has been intensified in recent years due to their unique properties, which make them natural candidates for many devices. The junction of two different elements can form composites imparting new properties or enhance existing properties associated with one or both starting elements Furthermore, due to their reduced size, extended surface area and stability, nanotubes can be seen as an alternative to materials used as gas sensors. Thus, the properties the of aluminum and gallium nitride (AlN and GaN, respectively) single (SWNT) and double-walled (DWNT) nanotubes and double-walled composites nanotubes (Al0,5Ga0,5N and Ga0,5Al0,5N) were analyzed by using the density functional theory (DFT). We observed that the emission of single-walled nanotubes changes from deep-UV to the blue region of the electromagnetic spectrum of double-walled GaN nanotubes (DWGaNNT). For the composite nanotubes, the emission occurs at UVA and UVB regions for, respectively, Al0,5Ga0,5N and Ga0,5Al0,5N. Also, the impact of the applied mechanical strain is investigated for all nanotubes. We also observed that with tensile strain, the band gap energy decreases while the piezoelectricity increases. Of all the zigzag nanotubes investigated, SWAlN, DWAlN, and the Al0,5Ga0,5N nanotube exhibit larger piezoelectric constants. The analysis of electron density revels that the composite nanotubes can be used to fabricate a selective dual gas sensor and that the functionalization, using an interface or by the application of strain, can be used to modulate the properties of materials. For armchair nanotubes, it was found that NH3 adsorbs preferentially on the axial cation of the outer wall. The adsorption energies, electronic properties, bond critical points and charge transfers showed that the physisorption occurs, and the interaction is particularly intense on the AlN wall, therefore, the composite nanotube with GaN in the internal wall and AlN in the external wall showed to be a great candidate for an ammonia sensor.