Modificação nas Propriedades Eletrônicas dos Nanotubos BₓCyNz através da Dopagem com Átomos de Carbono: proposta do uso como Sensor de HF.

Abstract

O carbono na tabela periódica é vizinho dos elementos boro e nitrogênio. Sabe-se que esses três átomos podem se combinar de diversas maneiras levando a uma vasta gama de materiais. A versatilidade do carbono na formação de diversos materiais – como os fulerenos, grafeno e nanotubos de carbono (CNT) – também está presente no caso do boro e do nitrogênio. A partir disso foram propostos teoricamente os nanotubos de nitreto de boro (BNNTs), o qual foi sintetizado experimentalmente em 1995. Sabe-se que apesar das semelhanças, os CNTs podem apresentar comportamento metálico ou semicondutor dependendo de sua quiralidade, enquanto que os BNNTs têm comportamento isolante. Nanotubos híbridos BₓCyNz podem ser obtidos experimentalmente e suas características são intermediárias à dos CNTs e BNNTs, o que abre a possibilidade do seu uso na construção de nanodispositivos para aplicações específicas. O fluoreto de hidrogênio (HF) é um gás tóxico liberado em processos industriais de altas temperaturas e na combustão de produtos contendo flúor. É conhecido que os BNNTs podem ser usados como superfície de adsorção de gases de HF. A adsorção do HF na superfície dos BNNTs altera seu comportamento eletrônico. No entanto, o seu uso como sensor esbarra no fato que o BNNT possui comportamento isolante. Isso pode ser contornado modificando as características eletrônicas dos BNNT adicionando átomos de carbono e formando estruturas híbridas. No entanto, pouco se sabe sobre como o comportamento eletrônico dos nanotubos BₓCyNz se altera devido a sua estrutura atômica, quiralidade e diâmetro. Nesse trabalho nanotubos híbridos com estequiometrias BC₁₀N, BC₄N, BC₂N, BCN e B₅C₂N₅, que são semelhantes aos obtidos experimentalmente, foram estudados através da Teoria do Funcional da densidade. A estabilidade estrutural desses nanotubos foi estudada e através de uma análise de orbitais naturais de ligação (NBO) foi possível mostrar que a curvatura dos nanotubos induzem a rehibridizações σ-π que alongam as ligações no sentido perpendicular ao eixo do nanotubo aumentando a energia de deformação e diminuindo a energia de coesão. Os efeitos da curvatura nas propriedades eletrônicas também foram estudados e foi possível identificar o deslocamento de uma banda - a qual foi chamada de banda α - nos nanotubos zigzag. Nos nanotubos onde a concentração de átomos de carbono é alta, o deslocamento da banda α modifica o comportamento eletrônico dessas estruturas. A interação da banda α com a banda de condução altera o valor do gap. Foi possível mostrar que nos nanotubos BₓCyNz onde a concentração de átomos de carbono é baixa, o gap é definido pela quantidade de estados provenientes dos átomos de B e N Para finalizar, foi proposto o uso dessas estruturas como sensor de gás HF, onde foi mostrado que a adsorção dessa molécula pode alterar o gap do material distorcendo as ligações próximas da região onde a adsorção ocorre. Foi possível mostrar que a modificação no gap ocorre devido a distorções causadas na estrutura onde estão localizados os estados πBC da banda de valência e πCN* da banda de condução que devido aos seus caráteres ligantes e antiligantes modificam o valor do gap.