Theoretical study of structural properties, electronic and vibrational of quantum dots silicon and graphene and calculations in the formalism DFT applied to uric acid crystals

Com a finalidade do desenvolvimento de novos nanodispositivos, hà um grande interesse em conhecer as propriedades eletrÃnicas de materias nanoestruturados. Sobretudo, como modificar as propriedades eletrÃnicas de nanoestruturas jà bem conhecidas de forma controlada. Com este objetivo, muitas metodologias e experimentos tem sido desenvolvidos. Neste trabalho, estudamos de forma inteiramente atomÃstica atravÃs de simulaÃÃo computacional as propriedades eletrÃnicas, Ãpticas e vibracionais de (a) pontos quÃnticos esferÃricos maciÃos e ocos de silÃcio, (b) nanoflocos de grafeno e (c) cristais de Ãcido Ãrico anidro, mono e dihidratado utilizando mÃtodos de DinÃmia Molecular, SemiempÃrico, DFTB+ e DFT, para tanto utilizamos o programa AMPAC e os mÃdulos do Materials Studio (Accelrys), o Forcite, CASTEP, Gulp e o Dmol3 que sÃo estados de arte em simulaÃÃes atomÃsticas. Do ponto de vista clÃssico utilizamos campos de forÃa Brenner, que permite a formaÃÃo e rompimento de ligaÃÃes covalentes; do ponto de vista quÃntico, utilizamos o mÃtodo do funcional da densidade e DFTB+ . No estudo dos pontos quÃnticos silÃcio obteve-se uma diminuiÃÃo do gap de energia em funÃÃo do aumento do raio para os pontos maciÃos, e comportamento contrÃrio para os pontos ocos, quando fixamos um ponto e variamos tÃo somente o raio do buraco. Para os nanoflocos de grafeno obteve-se por meio de DinÃmica Molecular a estabilidade das estruturas, averiguando que atà 1000K elas conservam sua forma plana; acima de 3400K as estruturas comeÃam a ter suas ligaÃÃes rompidas. Os gaps de energia HOMO-LUMO sÃo sensÃveis Ãs bordas. A anÃlise dos estados de spins revelou que somente os nanoflocos triangulares com borda zigzag possuem excesso de elÃtrons com spin alfa, dependente no entanto da simetria. Os modos de vibraÃÃo para estruturas com nC ~ 50 foram obtidas e observou-se que nanofloco retangular exibe bandas de abosorÃÃo em comum com nanoflocos zigzag em dois intervalos do espectro infravermelho. Finalmente para os cristais de Ãcido Ãrico, observou-se que os parÃmetros de rede para o cristal dihidratado sÃo menos coerentes com valores experiemntais. O gap do cristal de Ãcido Ãrico anidro e mono à direto (~ 3.18 eV e 3.16 eV, respectivamente) e do dihidratado à indireto (~ 2.89 eV). Os orbitais 2p sÃo os maiores contribuintes à densidade de estados. A Ãgua tem bastante influÃncia na banda de conduÃÃo do cristal dihidratado. Hà um comportamento anisotrÃpico quando do estudo das propriedades Ãpticas destes cristais ao longo de quatro direÃÃes de incidÃncia do campo elÃtrico, sendo a anisotropia mais acentuada para o dihidratado. As pesquisas realizadas enquadram-se na temÃtica de atuaÃÃo do Instituto de NanoBioEstruturas & SimulaÃÃoao NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], um dos Institutos Nacionais de CiÃncia e Tecnologia financiados pelo CNPq a partir do inÃcio de 2009, que visa desenvolver atividades de pesquisa e formaÃÃo de recursos humanos de alto nÃvel em nanobioestruturas e simulaÃÃo nanobiomolecularThere is a great interest in understanding the electronic properties of nano-structured materials aiming the development of new nano devices, especially how to modify the electronic properties of nano structures already known in a controlled manner. This work shows our studies, which were made in a pure atomistic way by computational simulation, on the electronic, optical and vibrational properties of (a) spherical quantum dots, silicon solid and hollow ones, (b) graphene nanoflakes and (c) crystals of uric acid, anhydrous, mono and dihydrate ones, using methods of Molecular Dynamics, Semiempirical, DFTB+ and DFT. We used the software called AMPAC and the modules of Materials Studio (Accelrys), the Forcite, CASTEP, Gulp and Dmol3 that are states of art in atomistic simulations. From the classical point of view we used Brenner force fields, which allow the formation and breaking of covalent bonds; and from the quantum dots of view, we used the method of density functional and DFTB+. In the study of silicon quantum dots, it was obtained a decrease of the energy gap due to the increase of the radius for massive dots, and contrary behavior to the hollow dots, when we fixed one point and varied only the radius of the hole. In relation to the graphene nanoflakes, it was obtained the stability of structures by the Dynamics Molecular, verifying that they keep their flattened form up to 1000 K; over 3400 K structures begin to have their links broken. The HOMO-LUMO energy gaps are sensitive to edges. Analysis of spin states revealed that only the triangular nanoflakes with zigzag edge have excess of electrons with alpha spin, however symmetry dependent. The modes of vibration for structures with nC ~ 50 were obtained and it was observed that rectangular nanoflake displays absorption bands in common with zigzag nanoflakes in two ranges of the infrared spectrum. Finally for the uric acid crystals, we observed that the lattice parameters for the dihydrate crystal are less consistent with experimental values. The gap of the crystal of uric acid, anhydrous and mono ones, is direct (~ 3.18 eV and 3.16 eV, respectively) and of the dihydrate is indirect (~ 2.89 eV). The 2p orbitals are the largest contributors to the density of states. Water has great influence in the conduction band of the dihydrate crystal. There is an anisotropic behavior in relation to the study of the optical properties of these crystals along four directions of incidence of the electric field, where the anisotropy is more accentuated to the dihydrate. The studies fit in the theme of the role of Instituto de NanoBioEstruturas & SimulaÃÃo NanoBioMolecular [NANO(BIO)SIMES], one of the National Institutes of Science and Technology funded by CNPq from the beginning of 2009, which aims to develop research activities and high-quality human resource training in nanobiostructures and nanobiomolecular simulatio