Investiga??o de primeiros princ?pios de estruturas de carbono com liga??es sp2 e sp3.

Programa de P?s-Gradua??o em Ci?ncias ? F?sica de Materiais. Departamento de F?sica, Instituto de Ci?ncias Exatas e Biol?gicas, Universidade Federal de Ouro Preto.Al?tropos nanoestruturados de carbono t?m atra?do a aten??o de muitos pesquisadores nas ?ltimas d?cadas. Entre estes al?tropos, o grafeno tem sido intensivamente investigado devido suas interessantes propriedades que podem levar a v?rias aplica??es tecnol?gicas. Outro al?tropo de carbono que tem sido muito estudado s?o os nanotubos de carbono (CNTs). Eles apresentam potencial para aplica??es em nanotecnologia, eletr?nica, ?ptica e outras ?reas de ci?ncias dos materiais. A combina??o de tais materiais podem resultar em estruturas h?bridas com novas propriedades interessantes ou eles poderiam melhorar as propriedades que impedem a sua real aplica??o, como por exemplo a manipula??o de uma ?nica folha de grafeno. Neste trabalho, empregamos c?lculos de Primeiros Princ?pios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) dentro da Aproxima??o de Gradiente Generalizado (GGA), como implementado no programa SIESTA, para investigar nanoestruturas compostas por nanotubos de carbono, grafeno e fitas de grafeno de poucas camadas. Observamos que uma estrutura h?brida composta por 4 camadas de grafeno e um nanotubo de carbono (10,0) ? a estrutura energeticamente mais est?vel entre aqueles que combinam tubo e algumas camadas de grafeno. A presen?a do tubo modifica a resist?ncia mec?nica do grafeno e tal estrutura h?brida ? ferromagn?tica, apesar de ser feita de apenas ?tomos de carbono. Reconstru??es de bordas foram observadas quando a estrutura h?brida foi esticada at? o seu colapso, o que nos leva a investigar a estrutura de poucas camadas de bordas de grafeno. Um padr?o no qual ?tomos das extremidades de algumas camadas de fitas grafeno formam pent?gonos e hept?gonos foi identificado. Com base em tal padr?o, geramos fitas de grafeno com 3, 4, 5 e 6 camadas. No que diz respeito ? estabilidade energ?tica de tais estruturas, notou-se que elas s?o energeticamente mais est?veis do que nanotubos de carbono (10,0) e C60, os quais existem na natureza. Essas estruturas tamb?m t?m caracter?sticas ferromagn?ticas, que podem ser associadas com a presen?a de defeitos topol?gicos, hept?gonos e pent?gonos, e suas conex?es sp2 e sp3.Nanostructured carbon allotropes have attracted the attention of many researchers in the last decades. Among those allotropes, graphene has been intensively investigated because of its interesting properties that could lead to several technological applications. Another carbon allotrope that has been widely estudied are carbon nanotubes (CNTs). They also present potential for applications in nanotechnology, electronics, optics and others areas of materials science. The combination of those materials could result in hybrid structures with news interesting properties or they could improve properties that prevent their real aplication, for example the manipulation of a single graphene sheet. In this work , we employ First-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) within the Generalized Gradient Approximation (GGA) as implemented in the SIESTA program, to investigate nanostructures composed of carbon nanotubes and graphene and few-layered graphene ribbons. We observed that a hybride structure composed of 4 graphene layers and a (10,0) carbon nanotube is the energetically more stable structure among those who combine tube and few-layered graphene. The presence of tube modifies the graphene mechanical resistance and such hybrid structure is ferromagnetic despite being made of carbon atoms only. Edges reconstructions were observed when hybrid structure was stretched until its collapse, which lead us to investigate the structure of few-layered graphene edges. A pattern in which the atoms at the edges of few-layered graphene ribbons form pentagons and heptagons was identified. Based on such pattern we generate graphene ribbons with 3, 4, 5 and 6 layers. Regarding the energetic stability of such structures we noted that they are energetically more stable than the (10,0) carbon nanotube and C60, which exist in nature. Those structures also have ferromagnetic characteristics, which coud be associated with the presence of topological defects, heptagons and pentagons, and their connections sp2 e sp3