Understanding the origin of photoluminescence in disordered Ca0.60Sr0.40WO4: An experimental and first-principles study

Visible photoluminescence (PL) was observed for the first time at room temperature in structurally disordered calcium strontium tungstate powder, Ca0.60Sr0.40WO4 (CSW), obtained by the polymeric precursor method. The PL behavior of CSW powders has been analyzed as a function of the disorder rate, based on experimental and theoretical studies. Quantum mechanical theory based on density functional theory at the B3LYP level has been employed to study the electronic structure of two periodic models representing both crystalline and disordered powders. Their electronic structures have been analyzed in terms of density of states, band dispersion and charge densities. The calculations indicate a break in symmetry when passing from crystalline to disordered models, creating localized electronic levels above the valence band. Moreover, a negative charge transfer process takes place from the [WO3] cluster to the [WO4] cluster. The polarization induced by the break in symmetry and the existence of localized levels favors the creation of trapped holes and electrons, originating the PL phenomenon. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Design of Gaussian basis sets to the theoretical interpretation of IR-spectrum of hexaaquachromium (III) ion, tetraoxochromium (IV) ion, and tetraoxochromium (VI) ion

The Generator Coordinate Hartree-Fock (GCHF) method is employed to design 16s, 16s10p, 24s17p13d, 25s17p13d, and 26s17p Gaussian basis sets for the H ((2)S), O ((3)P), O(2-) ((1)S), Cr(3+) ((4)F), Cr(4+) ((3)F), and Cr(6+) ((1)S) atomic species. These basis sets are then contracted to (4s) for H ((2)S), (6s4p) for O ((3)P), and O(2-) ((1)S), (986p3d) for Cr(3+) ((4)F), (10s8p3d) for Cr(4+) ((3)F), and (13s7p) for Cr(6+) (1S) by a standard procedure. For evaluation of the quality of those basis sets in molecular calculations, we have accomplished studies of total and orbital (HOMO and HOMO-1) energies at the HF-Roothaan level for the molecular species of our interest. The results obtained with the contracted basis sets are compared to the values obtained with our extended basis sets and to the standard 6-311G basis set from literature. Finally, the contracted basis sets are enriched with polarization function and then utilized in the theoretical interpretation of IR-spectrum of hexaaquachromium (III) ion, [Cr(H(2)O)(6)](3+), tetraoxochromium (IV) ion, [CrO(4)](4-), and tetraoxochromium (VI) ion, [CrO(4)](2-). The respective theoretical harmonic frequencies and IR-intensities were computed at the density functional theory (DFT) level. In the DFT calculations we employed the Becke's 1988 functional using the LYP correlation functional. The comparison between the results obtained and the corresponding experimental values indicates a very good description of the IR-spectra of the molecular ions studied, and that the GCHF method is still a legitimate alternative for selection of Gaussian basis sets. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structural and electronic properties of PbTiO3 slabs: a DFT periodic study

Structural and electronic properties of the bulk and relaxed surfaces (TiO2 and PbO terminated) of cubic PbTiO3 are investigated by means of periodic quantum-mechanical calculations based on density functional theory. It is observed that the difference in surface energies is small and relaxations effects are most prominent for Ti and Ph surface atoms. The electronic structure shows a splitting of the lowest conduction bands for the TiO2 terminated surface and of the highest valence bands for the PbO terminated slab. The calculated indirect band gap is: 3.18, 2.99 and 3.03 eV for bulk, TiO2 and PbO terminations, respectively. The electron density maps show that the Ti-O bond has a partial covalent character, whereas the Pb-O bonds present a very low covalency. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

CO 2 adsorption on polar surfaces of ZnO

Physical and chemical adsorption of CO 2 on ZnO surfaces were studied by means of two different implementations of periodic density functional theory. Adsorption energies were computed and compared to values in the literature. In particular, it was found that the calculated equilibrium structure and internuclear distances are in agreement with previous work. CO 2 adsorption was analyzed by inspection of the density of states and electron localization function. Valence bands, band gap and final states of adsorbed CO 2 were investigated and the effect of atomic displacements analyzed. The partial density of states (PDOS) of chemical adsorption of CO 2 on the ZnO(0001) surface show that the p orbitals of CO 2 were mixed with the ZnO valence band state appearing at the top of the valence band and in regions of low-energy conduction band. [Figure not available: see fulltext.] © 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Fabricação e caracterização de filmes finos de perileno: arquitetura molecular e aplicações sensoriais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Design de nanodispositivos eletroluminescentes baseados no ALQ3

Neste trabalho reportamos a investigação teórica da solvatação dos isômeros do tris- (8-idroxiquinolinolato) de alumínio III – Alq3, as propriedades eletroluminescentes na solvatação de Alq3 em líquidos orgânicos como metanol, etanol, dimetilformamida (DMF) e acetonitrila, a fim de se entender a dependência na variação de ambientes do sistema, aperfeiçoando o funcionamento de filmes transportadores em dispositivos eletroluminescentes do tipo OLED (Organic Light-Emitting Diodes) e por fim investigamos o mecanismo do transporte eletrônico no Alq3 aplicando uma baixa corrente elétrica na molécula e evidenciando as curvas corrente-voltagem característica do dispositivo. A simulação consiste na aplicação do método sequencial Monte Carlo / Mecânica quântica (S-MC/MQ), que parte de um tratamento inicial estocástico para separação das estruturas mais prováveis de menor energia e posteriormente com um tratamento quântico para plotar os espectros eletrônicos das camadas de solvatação separadas através do método ZINDOS/S. Nas propriedades elétricas do transporte utilizamos o método da função de Green de não equilíbrio acoplado a teoria do funcional densidade (DFT) inferindo que as ramificações mais externas correspondentes aos anéis no Alq3 seriam terminais para o translado eletrônico. Nossos resultados mostraram que a média dos espectros de absorção para solvatação do Alq3 em soluções sofre um desvio mínimo com a mudança de ambiente, estando em ótimo acordo com os resultados experimentais da literatura; e as curvas I-V confirmaram o comportamento diodo do dispositivo, corroborando com os sentidos mais pertinentes quanto aos terminais no Alq3 para se ter um transporte eletrônico satisfatório.

Estudo de solvatocromismo em líquidos moleculares orgânicos via método seqüencial Monte Carlo/Mecânica Quântica

Utilizou-se o método seqüencial Monte Carlo / Mecânica Quântica para obterem-se os desvios de solvatocromismo e os momentos de dipolo dos sistemas de moléculas orgânicas: Uracil em meio aquoso, -Caroteno em Ácido Oléico, Ácido Ricinoléico em metanol e em Etanol e Ácido Oléico em metanol e em Etanol. As otimizações das geometrias e as distribuições de cargas foram obtidas através da Teoria do Funcional Densidade com o funcional B3LYP e os conjuntos de funções de base 6-31G(d) para todas as moléculas exceto para a água e Uracil, as quais, foram utilizadas o conjunto de funções de base 6-311++G(d,p). No tratamento clássico, Monte Carlo, aplicou-se o algoritmo Metropólis através do programa DICE. A separação de configurações estatisticamente relevantes para os cálculos das propriedades médias foi implementada com a utilização da função de auto-correlação calculada para cada sistema. A função de distribuição radial dos líquidos moleculares foi utilizada para a separação da primeira camada de solvatação, a qual, estabelece a principal interação entre soluto-solvente. As configurações relevantes da primeira camada de solvatação de cada sistema foram submetidas a cálculos quânticos a nível semi-empírico com o método ZINDO/S-CI. Os espectros de absorção foram obtidos para os solutos em fase gasosa e para os sistemas de líquidos moleculares comentados. Os momentos de dipolo elétrico dos mesmos também foram obtidos. Todas as bandas dos espectros de absorção dos sistemas tiveram um desvio para o azul, exceto a segunda banda do sistema de Beta-Caroteno em Ácido Oléico que apresentou um desvio para o vermelho. Os resultados encontrados apresentam-se em excelente concordância com os valores experimentais encontrados na literatura. Todos os sistemas tiveram aumento no momento de dipolo elétrico devido às moléculas dos solventes serem moléculas polares. Os sistemas de ácidos graxos em álcoois apresentaram resultados muito semelhantes, ou seja, os ácidos graxos mencionados possuem comportamentos espectroscópicos semelhantes submetidos aos mesmos solventes. As simulações através do método seqüencial Monte Carlo / Mecânica Quântica estudadas demonstraram que a metodologia é eficaz para a obtenção das propriedades espectroscópicas dos líquidos moleculares analisados.

Investigação da dinâmica sequêncial Monte Carlo/Mecânica Quântica para sitemas moleculares orgânicos

O principal objetivo deste trabalho é investigar teóricamente as propriedades eletrônicas e óticas de compostos orgânicos em ambiente líquido. A compreensão das interações em sistemas líquidos é muito importante para a descrição de fenômenos em muitas partes da ciência, como Física, Química, Biologia e Materiais, bem como no desenvolvimento de materiais óticos. As flutuações térmicas fazem que inumaram das configurações para os líquidos possam ser gerados. Esta é a razão do comportamento estatístico observado em sistemas líquidos. Considerando estas dificuldades, o tratamento sequencial Monte Carlo / Mecânica Quântica (SMC/QM) é usado neste trabalho. Neste procedimento, a estrutura líquida é gerada primeiramente por simulações clássicas de MC e mais tarde, somente a parte mais importante do sistema é tratada com mecânica quântica. Usando o procedimento acima, os propriedades do quantum o pirazine dimethyl do thiene Methyl da laranja (MO) e do O 2,3-dimetil tieno[3,4-b] pirazina (DTP) foram investigados. O MO é um conhecido indicador de pH e pode ser encontrado sob circunstâncias básicas e acidas. Suas geometrias de mínima energia foram obtidas mediante a Teoria do Funcional da Densidade pelo funcional B3LYP, sendo o sistema descrito pelas bases de Pople com uma função de polarização (6-31G*). Para obter as propriedades médias dos observaveis, cálculos de química quântica foram executados dentro da aproximação semi-empírica de INDO/S-CI. Com respeito ao espectro de absorção, os dados experimentais existentes na literatura científica reportam a existência de uma larga banda localizada na região de baixas energias, mais precisamente entre 400 e 600 nm. Nossos resultados teóricos para a forma alcalina mostram uma transição intensa transição π → π* aproximadamente à 432.4 ± 0.03 nm e, sob condições ácidas, esta transição aparece aproximadamente à 507.4 ± 0.12, 496.4 ± 0.28 ou 545.3 ± 0.10 nm, dependendo da estrutura, mostrando bom acordo com resultados experimentais. O DTP é um sistema particular usado na produção de polímeros de baixo gap. Suas propriedades elétricas e óticas foram obtidas através de um novo procedimento conhecido por Configuração Eletrostática Média do Solvent (ASEC). O procedimento ASEC inclui moléculas do solvente como cargas pontuais e permite o obtenção das quantidades quânticas executando somente poucos cálculos de mecânica quântica. Para o DTP, usando a teoria das perturbações de segunda ordem Mφller-Plesset (MP2) e o conjunto de bases aug-cc-pVDZ, a convergência do momento de dipolo foi alcançada com apenas quatro cálculos de mecânica quântica à 1.16 D, apresentando um aumento de 42% quando comparado ao dipolo isolado. O polarizabilidade corresponde à outra característica elétrica que pôde ser medida. Considerando o mesmo nível empregado ao cálculo do dipolo, o valor médio 132.7 a30 foi observado. A região de mais baixas da energias do espectro de absorption foi investigada também atravé de procedimento de ASEC usando ambos as aproximações, semi-empírico e DFT. Esta região de absorção é motivo de conclusões contraditórias com relação à natureza das transições n → π* e π → π*. Nossos resultados mostram que realmente que essas excitações são realmente observadas simultanemente podendo sobrepôr-se. Como exemplo, nossos resultados para DFT, encontrados usando o funcional B3LYP nos mostra que estas transições aparecem aproximadamente à 360.6 e 351.1 nm.

Propriedades magnéticas de nanoestruturas de metais de transição 3d em superfícies de Pd

Motivados por estudos experimentais acerca de monocamadas de metais de transição 3d sobre superfícies de Pd, nesta dissertação investigamos o complexo magnetismo de nanoestruturas, embebidas ou adsorvidas, em superfícies metálicas através de cálculos de primeiros princípios. Utilizamos o método RS-LMTO-ASA (Real Space - Linear MuffinTin Orbital - Atomic Sphere Approximation), o qual é baseado na teoria do funcional da densidade (DFT - Density Functional Theory) e implementado para o cálculo de estruturas magnéticas não colineares. Com este propósito, investigamos nanoestruturas embebidas e ligas (2 x 2) de metais 3d (Cr, Mn, Fe, Co e Ni) na superfície Pd (110), além de nanoestruturas de Cr adsorvidas sobre a superfície de Pd (111). Primeiro, para as nanoestruturas embebidas na superfície Pd (110), analisamos a variação do momento magnético de spin orbital com relação ao número de vizinhos e de valência dos metais 3d. Também mostramos que estas estruturas têm ordenamento magnético colinear, exceto as de Cr e Mn, que apresentam magnetismo não colinear associado à frustração geométrica. Para o caso de nanofios de Cr adsorvidos sobre a superfície de Pd (111), verificamos uma configuração colinear antiferromagnética para cadeias com até 9 átomos. Para o nanofio com 10 átomos obtivemos uma configuração tipo antiferromagnética inclinada (canted). No caso de nanoestruturas de Cr bidimensionais, verificamos complexas configurações magnéticas não colineares com diferentes quiralidades.

Propriedades magnéticas de nanoestruturas adsorvidas em superfícies metálicas

Neste trabalho, utilizamos o método de primeiros princípios RS-LMTO-ASA (Real Space – Linear Muffin-Tin Orbital - Atomic Sphere Approximation) baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT - Density Functional Theory) e implementado para o cálculo de estruturas magnéticas não-colineares, para investigar as propriedades magnéticas de nanoestruturas adsorvidas em superfícies metálicas. Consideramos aglomerados com diferentes geometrias e tamanhos como adátomos, dímeros, trímeros, nanofios e nanoestruturas de geometria triangular de Fe, Fe-Co e Fe-Pt adsorvidos sobre a superfície de Pt(111) e tratamos também nanoestruturas de Mn sobre a superfície de Ag(111). Mostramos que os nanofios de Fe-Co sobre a superfície de Pt(111) apresentam um ordenamento ferromagnético. Devido à redução do número de coordenação presente na superfície, os momentos de spin e orbital nos sítios de Fe e Co mostram-se elevados comparados com os respectivos valores dos momentos destes metais como bulk. Analisamos também como estes momentos variam em função da concentração destes elementos nos nanofios. Para os sistemas compostos por nanofios Fe-Pt adsorvidos em Pt(111), mostramos que é possível sintonizar as interações de troca entre os adátomos magnéticos Fe através da introdução de um diferente número de átomos Pt para ligá-los. Por exemplo, a interação de troca entre os adátomos de Fe pode ser consideravelmente aumentada pela introdução de cadeias de Pt que os conectem e tanto configurações ferromagnéticas, antiferromagnéticas ou não-colineares entre os adátomos de Fe podem ser estabilizadas, dependendo da espessura do espaçador Pt. Para os aglomerados Mn sobre a Ag(111) mostramos que a interação de troca entre os sítios de Mn depende não somente da distância entre os átomos, mas também do número de coordenação de cada sítio. Desta forma, verificamos um magnetismo não-colinear nestas nanoestruturas causado tanto por frustração geométrica, quanto pela competição de interações de curto e longo alcance. Nossos resultados estão em boa concordância com os resultados experimentais da literatura e com os resultados teóricos obtidos por outros métodos, quando existentes.

Kallen-Lehmann representation of noncommutative quantum electrodynamics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Confinement effects and why carbon nanotube bundles can work as gas sensors

Carbon nanotubes have been at the forefront of nanotechnology, leading not only to a better understanding of the basic properties of charge transport in one dimensional materials, but also to the perspective of a variety of possible applications, including highly sensitive sensors. Practical issues, however, have led to the use of bundles of nanotubes in devices, instead of isolated single nanotubes. From a theoretical perspective, the understanding of charge transport in such bundles, and how it is affected by the adsorption of molecules, has been very limited, one of the reasons being the sheer size of the calculations. A frequent option has been the extrapolation of knowledge gained from single tubes to the properties of bundles. In the present work we show that such procedure is not correct, and that there are qualitative differences in the effects caused by molecules on the charge transport in bundles versus isolated nanotubes. Using a combination of density functional theory and recursive Green's function techniques we show that the adsorption of molecules randomly distributed onto the walls of carbon nanotube bundles leads to changes in the charge density and consequently to significant alterations in the conductance even in pristine tubes. We show that this effect is driven by confinement which is not present in isolated nanotubes. Furthermore, a low concentration of dopants randomly adsorbed along a two-hundred nm long bundle drives a change in the transport regime; from ballistic to diffusive, which can account for the high sensitivity to different molecules.

Stretching of BDT-gold molecular junctions: thiol or thiolate termination?

It is often assumed that the hydrogen atoms in the thiol groups of a benzene-1,4-dithiol dissociate when Au-benzene-1,4-dithiol-Au junctions are formed. We demonstrate, by stability and transport property calculations, that this assumption cannot be made. We show that the dissociative adsorption of methanethiol and benzene-1,4-dithiol molecules on a flat Au(111) surface is energetically unfavorable and that the activation barrier for this reaction is as high as 1 eV. For the molecule in the junction, our results show, for all electrode geometries studied, that the thiol junctions are energetically more stable than their thiolate counterparts. Due to the fact that density functional theory (DFT) within the local density approximation (LDA) underestimates the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital and the highest occupied molecular orbital by several electron-volts, and that it does not capture the renormalization of the energy levels due to the image charge effect, the conductance of the Au-benzene-1,4-dithiol-Au junctions is overestimated. After taking into account corrections due to image charge effects by means of constrained-DFT calculations and electrostatic classical models, we apply a scissor operator to correct the DFT energy level positions, and calculate the transport properties of the thiol and thiolate molecular junctions as a function of the electrode separation. For the thiol junctions, we show that the conductance decreases as the electrode separation increases, whereas the opposite trend is found for the thiolate junctions. Both behaviors have been observed in experiments, therefore pointing to the possible coexistence of both thiol and thiolate junctions. Moreover, the corrected conductance values, for both thiol and thiolate, are up to two orders of magnitude smaller than those calculated with DFT-LDA. This brings the theoretical results in quantitatively good agreement with experimental data.

Hybridization effects on the out-of-plane electron tunneling properties of monolayers: is h-BN more conductive than graphene?

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

O espaço-tempo não comutativo em Teoria Quântica de Campos, Matéria Condensada Mole e Física Biológica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)