Theoretical study on the reaction mechanism of VO2+ with propyne in gas phase

Possible molecular mechanisms of the gas-phase ion/molecule reaction of VO2+ in its lowest singlet and triplet states ((1)A(1)/(3)A '') with propyne have been investigated theoretically by density functional theory (DFT) methods. The geometries, energetic values, and bonding features of all stationary and intersystem crossing points involved in the five different reaction pathways (paths 1-5), in both high-spin (triplet) and low-spin (singlet) surfaces, are reported and analyzed. The oxidation reaction starts by a hydrogen transfer from propyne molecule to the vanadyl complex, followed by oxygen migration to the hydrocarbon moiety. A hydride transfer process to the vanadium atom opens four different reaction courses, paths 1-4, while path 5 arises from a hydrogen transfer process to the hydroxyl group. Five crossing points between high- and low-spin states are found: one of them takes place before the first branching point, while the others occur along path 1. Four different exit channels are found: elimination of hydrogen molecule to yield propynaldehyde and VO+ ((1)Sigma/(3)Sigma); formation of propynaldehyde and the moiety V-(OH2)(+); and two elimination processes of water molecule to yield cationic products, Prod-fc(+) and Prod-dc(+) where the vanadium atom adopts a four- and di-coordinate structure, respectively.

Temperature dependence of structural and electronic properties of the spin-liquid candidate κ-(BEDT-TTF) 2Cu 2(CN) 3

We investigate the effect that the temperature dependence of the crystal structure of a two-dimensional organic charge-transfer salt has on the low-energy Hamiltonian representation of the electronic structure. For that, we determine the crystal structure of κ-(BEDT-TTF) 2Cu 2(CN) 3 for a series of temperatures between T=5 and 300 K by single crystal X-ray diffraction and analyze the evolution of the electronic structure with temperature by using density functional theory and tight binding methods. We find a considerable temperature dependence of the corresponding triangular lattice Hubbard Hamiltonian parameters. We conclude that even in the absence of a change of symmetry, the temperature dependence of quantities like frustration and interaction strength can be significant and should be taken into account. © 2012 American Physical Society.

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.

Decay of photo-induced conductivity in Sb-doped SnO2 thin films, using monochromatic light of about bandgap energy

Doping tin dioxide (SnO2) with pentavalent Sb5+ ions leads to an enhancement in the electrical conductivity of this material, because Sb5+ substitutes Sn4+ in the matrix, promoting an electronic density increase in the conduction band, due to the donor-like nature of the doping atom. Results of computational simulation, based on the Density Functional Theory (DFT), of SnO2:4%Sb and SnO2:8%Sb show that the bandgap magnitude is strongly affected by the doping concentration, because the energy value found for 4 at%Sb and 8 at%Sb was 3.27 eV and 3.13 eV, respectively, whereas the well known value for undoped SnO2 is about 3.6 eV. Sb-doped SnO2 thin films were obtained by the sol-gel-dip-coating technique. The samples were submitted to excitation with below theoretical bandgap light (450 nm), as well as above bandgap light (266 nm) at low temperature, and a temperature-dependent increase in the conductivity is observed. Besides, an unusual temperature and time dependent decay when the illumination is removed is also observed, where the decay time is slower for higher temperatures. This decay is modeled by considering thermally activated cross section of trapping centers, and the hypothesis of grain boundary scattering as the dominant mechanism for electronic mobility. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Self-trapping of Fermi and Bose gases under spatially modulated repulsive nonlinearity and transverse confinement

We show that self-localized ground states can be created in the spin-balanced gas of fermions with repulsion between the spin components, whose strength grows from the center to periphery, in combination with the harmonic-oscillator (HO) trapping potential acting in one or two transverse directions. We also consider the ground state in the noninteracting Fermi gas under the action of the spatially growing tightness of the one- or two-dimensional (1D or 2D) HO confinement. These settings are considered in the framework of the Thomas-Fermi-von Weizsäcker (TF-vW) density functional. It is found that the vW correction to the simple TF approximation (the gradient term) is nearly negligible in all situations. The properties of the ground state under the action of the 2D and 1D HO confinement with the tightness growing in the transverse directions are investigated too for the Bose-Einstein condensate with the self-repulsive nonlinearity. © 2013 American Physical Society.

Direct in situ observation of the electron-driven synthesis of Ag filaments on α-Ag2 WO4 crystals

In this letter, we report, for the first time, the real-time in situ nucleation and growth of Ag filaments on α-Ag2 WO4 crystals driven by an accelerated electron beam from an electronic microscope under high vacuum. We employed several techniques to characterise the material in depth. By using these techniques combined with first-principles modelling based on density functional theory, a mechanism for the Ag filament formation followed by a subsequent growth process from the nano-to micro-scale was proposed. In general, we have shown that an accelerated electron beam from an electronic microscope under high vacuum enables in situ visualisation of Ag filaments with subnanometer resolution and offers great potential for addressing many fundamental issues in materials science, chemistry, physics and other fields of science.

Effect of chemical modifications on the electronic structure of poly(3-hexylthiophene)

The widespread use of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) in the active layers of organic solar cells indicates that it possesses chemical stability and solubility suitable for such an application. However, it would be desirable to have a material that can maintain these properties but with a smaller bandgap, which would lead to more efficient energy harvesting of the solar spectrum. Fifteen P3HT derivatives were studied using the Density Functional Theory. The conclusion is that it is possible to obtain compounds with significantly smaller bandgaps and with solubility and stability similar to that of P3HT, mostly through the binding of oxygen atoms or conjugated organic groups to the thiophenic ring. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Strain- and electric field-induced band gap modulation in nitride nanomembranes

The hexagonal nanomembranes of the group III-nitrides are a subject of interest due to their novel technological applications. In this paper, we investigate the strain- and electric field-induced modulation of their band gaps in the framework of density functional theory. For AlN, the field-dependent modulation of the bandgap is found to be significant whereas the strain-induced semiconductor-metal transition is predicted for GaN. A relatively flat conduction band in AlN and GaN nanomembranes leads to an enhancement of their electronic mobility compared to that of their bulk counterparts. © 2013 IOP Publishing Ltd.

The effects of water molecules on the electronic and structural properties of peptide nanotubes

The self-assembly of short amino acid chains appears to be one of the most promising strategies for the fabrication of nanostructures. Their solubility in water and the possibility of chemical modification by targeting the amino or carboxyl terminus give peptide-based nanostructures several advantages over carbon nanotube nanostructures. However, because these systems are synthesized in aqueous solution, a deeper understanding is needed on the effects of water especially with respect to the electronic, structural and transport properties. In this work, the electronic properties of l-diphenylalanine nanotubes (FF-NTs) have been studied using the Self-Consistent Charge Density-Functional-based Tight-Binding method augmented with dispersion interaction. The presence of water molecules in the central hydrophilic channel and their interaction with the nanostructures are addressed. We demonstrate that the presence of water leads to significant changes in the electronic properties of these systems decreasing the band gap which can lead to an increase in the hopping probability and the conductivity. © the Owner Societies 2013.

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.

Configurações magnéticas colineares e não-colineares em currais de Fe, Cr e Mn sobre a Pt (111)

Neste trabalho investigamos as propriedades magnéticas de currais de Fe, Cr e Mn adsorvidos sobre a superfície de Pt(111) utilizando o método RS-LMTO-ASA (Real Space Linear Muffin Tin Orbital - Atomic Sphere Approximation), o qual é um método de primeiros princípios baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT-Density Functional Theory), que permite o cálculo de estruturas magnéticas não-colineares. Obtivemos que os átomos de Fe apresentam momentos magnéticos elevados, da ordem de 3.5µB /átomo, e têm uma interação de troca entre primeiros vizinhos forte e ferro-magnética. Isto leva a um arranjo magnético colinear no curral. Para os currais de Mn e Cr encontramos que estes possuem elevado momento magnético, da ordem de 4.51µB /átomo e 4.15µB /átomo, respectivamente, e interações de troca entre primeiros vizinhos antiferro-magnéticas. Isto conduz a arranjos magnéticos colineares em currais simples, assim como interessantes ordenamentos não-colineares, tais como estruturas tipo vértice (skyrmions), para os currais com uma geometria particular onde o antiferromagnetismo se apresenta frustado.

Espectrometria Raman, UV, DOS e Circular Dicroísmo de alcalóides do cigarro

Esta dissertação aborda a análise espectroscópica de algumas estruturas moleculares presentes no tabaco (Nicotiana glauca), matéria-prima do cigarro, e suas interações com a molécula de DNA. De acordo com sua importância, dentre a grande variedade presentes no cigarro, às moléculas estudadas foram as derivadas do ácido nicotínico: ácido nicotínico (niacina/vitamina B3), nicotinamida, trigonelina, nicotina, nornicotina e anabasina. As otimizações dessas estruturas foram inicialmente obtidas no software computacional Hyperchem 8.0, baseadas na teoria da mecânica molecular. Em seguida, elas foram otimizadas, utilizando-se o método de Teoria do Funcional da Densidade, na base B3LYP/ 6-311++G(d,p), simulado no software Gaussian 03. Uma vez as estruturas otimizadas, obtivemos os espectros de absorção UV, Raman, Infravermelho, Dicroísmo Circular e Densidade de Estados para caracterizar as mesmas utilizando método de Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo, também simulados no mesmo software. Ao final desse processo, foi também simulado via mecânica molecular, as interações dessas estruturas com a molécula de DNA com o intuito de verificar a potencialidade cancerígena, ou não, dessas substâncias.

Investigação da transição isolante-metal do CDM via algoritmos computacionais e estudo de nano-dispositivos orgânicos

Apresentamos neste trabalho um estudo teórico sobre polímeros orgânicos conjugados. É conhecido que estes sistemas, em geral semicondutores ou isolantes, sob dopagem química podem vir a adquirir propriedades elétricas de material condutor. E ainda, sob ação de campo elétrico, pequenos oligômeros podem apresentar comportamento equivalente ao de dispositivos usuais, mas com inúmeras vantagens como, por exemplo, tamanho extremamente reduzido (alguns nanômetros). Dessa forma no primeiro capítulo faremos uma breve introdução sobre polímeros orgânicos conjugados mostrando alguns resultados experimentais obtidos para o polímero 4-dicianometileno-4,4-ciclopenta [2,1-b: 3,4b’] ditiofeno – CDM, que é o objeto central de estudo desta dissertação. O capítulo 2 trata dos métodos quânticos utilizados. Citaremos a Teoria de Hartre-Fock (HF) e suas derivações semi-empíricas. A técnica de Interação de configuração (CI) e a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) também serão tratadas neste capítulo. O capítulo 3 é dedicado a descrever as características de alguns dispositivos usuais como diodos e transistores. Aqui o fundamental é entender a composição, o funcionamento e principalmente, como se comportam suas curvas características corrente versus voltagem (IxV). Citaremos ainda alguns dispositivos eletrônicos extremamente pequenos. No capítulo 4 começa nossos resultados e discussões referentes a análise da transição isolante-metal em CDM sob ação de dopagem. Primeiramente a nível semiempírico, obtivemos a caracterização ótica de oligômeros de CDM neutro e na presença de defeitos conformacionais do tipo bipólarons negativo e positivo. Partindo de geometrias otimizadas via métodos AM1 e PM3 obtivemos o espectro de absorção para sistemas com e sem carga. A nível Hartree-Fock calculamos a Estrutura de Bandas e a Densidade de Estados (DOS) para o PCDM no estado neutro e dopado. O cálculo da DOS e da Dispersão foram realizados através de programas computacionais desenvolvidos aqui no Grupo de Física de Materiais da Amazônia (GFMA). Apresentamos ainda neste capítulo o espectro de absorção teórico para oligômeros de CDM com diversas configurações com geometrias totalmente otimizadas pelo DFT. No capítulo 5 temos os resultados relativos à análise de nanodispositivos baseados em tetrâmeros de CDM com e sem carga. As curvas do deslocamento de carga versus voltagem apresentam características de curvas de dispositivos usuais. Analisamos também o espectro de absorção teórico dos nanodispositivos para valores de tensão nula e em pontos de saturação de corrente nas regiões direta e reversa.

Métodos teóricos na investigação da estrutura eletrônica do resveratrol e derivados

Na apresentação do desenvolvimento desta tese foram utilizados métodos ab initio, semiempíricos, e teoria do funcional densidade na investigação das propriedades do estado fundamental e estados excitados do Resveratrol e estruturas moleculares similares, assim como suas propriedades espectroscópicas. O Resveratrol é uma fitoalexina com propriedades antioxidantes, que tem como estruturas derivadas semelhantes, a Piceatannol, Para-vinylphenylphenol e Resveratrol-dihydroxyl_N (N=1,2 e 3). Os resultados obtidos correspondem à análise dos parâmetros moleculares e propriedades eletrônicas; as simulações dos espectros que correspondem as fotoexcitações para cada uma das moléculas foram feitos através de pacotes computacionais. Os métodos aproximativos utilizados nos cálculos comprovam os resultados obtidos experimentalmente, de forma a contribuir como um indicador às prováveis modificações nas propriedades químicas, físicas e biológicas do Resveratrol.

Transporte eletrônico em nanofitas de grafeno sob a influência de fatores externos, via primeiros princípios

O grafeno é a primeira estrutura bidimensional que se obteve experimentalmente. Sua rede cristalina é uma rede hexagonal, conhecida como "Favo de Mel", possui apenas um átomo de espessura. Cortes em folhas de grafeno, privilegiando determinada direção, geram as chamadas nanofitas de grafeno. Embora o grafeno se comporte como um metal, é sabido que as nanofitas podem apresentar comportamentos semicondutor, metálico ou semimetálico, dependendo da direção de corte e/ou largura da fita. No caso de nanofitas semicondutoras, a largura da banda proibida (band gap), entre outros fatores, depende da largura da nanofita. Neste trabalho adotou-se métodos de primeiros princípios como o DFT (Density Functional Theory), afim de se obter as características tais como curvas de dispersão para nanofitas. Neste trabalho, primeiramente, são apresentados diagramas de bandas de energia e curvas de densidade de estados para nanofitas de grafeno semicondutoras, de diferentes larguras, e na ausência de influências externas. Utilizou-se métodos de primeiros princípios para a obtenção destas curvas e o método das funções de Green do Não Equilíbrio para o transporte eletrônico. Posteriormente foi investigado a influência da hidrogenização, temperatura e tensão mecânica sobre sistema, isso além, de se estudar o comportamento de transporte eletrônico com e sem influência destes fatores externos. Vale ressaltar que as nanofitas de grafeno apresentam possibilidades reais de aplicação em nanodispositivos eletrônicos, a exemplo de nanodiodos e nanotransistores. Por esse motivo, é importante se ter o entendimento de como os fatores externos alteram as propriedades de tal material, pois assim, espera-se que as propriedades de dispositivos eletrônicos também sejam influenciadas da mesma maneira que as nanofitas.