Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS (33144010006P9)
NaTaO3 perovskite structural and electronic properties: a theoretical approach from infinite surfaces to nanostructures
GUILHERME RIBEIRO PORTUGAL
DISSERTAÇÃO
16/12/2020

Resumo Estruturas de tantalato de sódio (NaTaO3) têm sido consideradas um dos materiais mais promissores para a condução de reações fotocatalíticas para quebra da molécula de água. Compreender o comportamento estrutural e eletrônico de superfícies atomicamente distintas é de fundamental importância para elucidar a relação entre reatividade e diferentes terminações. Uma primeira investigação sistemática mais ampla de slabs infinitos aponta a superfície ortorrômbica terminada em NaTaO como a melhor candidata para realizar reações fotocatalíticas. Os arranjos TaO4 induzidos por clivagem, embora mais caros energeticamente, permitem que a reconstrução estrutural aconteça. Estados de energia bem localizados de Ta são introduzidos dentro do bandgap e estão coerentemente alinhados com o potencial de oxidação da água. Em nanoestruturas, um comportamento semelhante é observado para filmes ultrafinos cúbicos de orientação [110] de (Na,K)TaO3. Estados rasos de Ta superficial emergem dentro do bandgap, uma vez que a clivagem (110) quebra a simetria octaédrica para criar unidades TaO4. Nós explicamos fisicamente a estabilização de orbitais associada, que é maximizada quando a tração biaxial aumenta a planaridade dos grupos TaO4 e move os estados de superfície para dentro do bandgap. Compressão biaxial induz o comportamento contrário. A modulação por tensão relatada é desejada em diferentes aplicações. Ainda, superfícies polares NaO-TaO2 indicam a presença de gases 2D de portadores de carga em filmes ultrafinos de NaTaO3. Além disso, elucidamos seu mecanismo de formação, dependência da espessura e modulação através de tensão biaxial, que diz respeito especialmente campos da nanoeletrônica. Em relação aos nanofios, facetas quimicamente diferentes afetam as propriedades estruturais e eletrônicas ainda mais proeminentemente. Além do caráter semi-metálico do fio terminado em NaO, os fios com terminação NaTaO também possuem unidades TaO4 superficiais que se tornam mais planas durante a reconstrução estrutural e introduzem estados ocupados Ta 5d abaixo de sua banda de condução. Finalmente, os estudos inicial acerca das interações H2O-superfície em nanofios revela seu caráter hidrofílico e mostra as particularidades da adsorção em diferentes sítios das facetas NaO, TaO2 e NaTaO. As características em comum acima mencionadas que foram observadas de slabs infinitos a nanofios levou a uma melhor compreensão de possíveis razões pelas quais o NaTaO3 se destaca intrinsecamente em termos fotocatalíticos, podendo, portanto, orientar estudos experimentais e investigações futuras sobre o assunto.

DFT;Perovskitas;NaTaO3;Superfície;Nanoestruturas;Fotocatálise
Sodium tantalate (NaTaO3) structures have been considered one of the most promising materials to conduct water-splitting photocatalytic reactions. Understanding the structural and electronic behavior of atomically distinct surfaces is of fundamental importance to elucidate the relationship between reactivity and different terminations. A first broader systematic investigation of infinite slabs points to the orthorhombic NaTaO-terminated surface as the best candidate to perform photocatalytic reactions. The cleavage-induced TaO4 arrangements, although more energetically expensive, allow structural reconstruction to take place. Well-localized Ta energy states are introduced inside the bandgap, and happen to be coherently aligned with the water oxidation potential. In nanostructures, a similar behavior is observed for cubic [110]-oriented (Na,K)TaO3 ultrathin films. Surface Ta shallow states emerge into the bandgap since the (110) cleavage breaks the octahedral symmetry to create TaO4 units. We physically explain the associated orbital stabilization, which is maximized when biaxial tensile increases the TaO4 planarity and moves surface states into the bandgap. Compressive biaxial strain induces the opposite behavior. Such strain-driven modulation is desired in different applications. Yet, NaO-TaO2 polar slabs indicate the presence of surface 2D carries carrier gases in NaTaO3 ultrathin films. Furthermore, we elucidate their formation mechanism, thickness dependence, and tuning through biaxial in-plane strain, which concerns specially nanoelectric fields. Regarding nanowires, chemically different facets affected structural and electronic properties even more prominently. Interestingly, besides the half-metal character of NaO-terminated wires, NaTaO-terminated nanowires also have surface TaO4 units that become more planar upon structural reconstruction and introduce occupied Ta 5d states below their conduction band. Finally, the initial study of the H2O-surface interactions in nanowires reveals their hydrophilic character and shows the particularities of adsorption in different sites of NaO, TaO and NaTaO facets. The aforementioned common characteristics that have been observed from infinite slabs to nanowires have led to a better understanding of possible reasons why NaTaO3 stands out intrinsically in photocatalytic terms, and can therefore guide experimental studies and future investigations on the subject.
DFT;Perovskites;NaTaO3;Surface;Nanostructures;Photocatalysis
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INGLES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho não possui divulgação autorizada

Contexto

NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS
MATERIAIS FUNCIONAIS AVANÇADOS
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Banca Examinadora

SYDNEY FERREIRA SANTOS
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
ANDRE SARTO POLO Docente - PERMANENTE
JEVERSON TEODORO ARANTES JUNIOR Participante Externo
SYDNEY FERREIRA SANTOS Docente - PERMANENTE
ROBERTO GOMES DE AGUIAR VEIGA Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
FUND COORD DE APERFEICOAMENTO DE PESSOAL DE NIVEL SUP - Programa de Demanda Social 27

Vínculo

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Não