CÁLCULO DA ESTRUTURA ELETRÔNICA DO ÓXIDO DE GRAFENO

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1 CÁLCULO DA ESTRUTURA ELETRÔNICA DO ÓXIDO DE GRAFENO Nome do Aluno 1 ; Nome do Orientador 2 ; Nome do Co-orientador 3 (apenas quando estiver oficialmente cadastrado como co-orientador junto ao PIBIC/PIVIC) Nome dos autores: Alexander Isac Nilton Braz Pereira 1 ; Adão Lincon Bezerra Montel 2 1 Aluno do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; alexandernbp10@hotmail.com PIVIC/UFT 2 Orientador(a) do Curso de Engenharia Civil; Campus de Palmas; montel@hotmail.com RESUMO Todo material semicondutor é composto por bandas de condução, da qual os elétrons mudam de uma camada para outra. Com o fundamento teórico em química atualmente disponível é possível calcular uma série de propriedades de compostos através de simulação computacional. O presente projeto constitui-se na simulação computacional do band gap dos compostos grafeno e óxido de grafeno. O cálculo das principais propriedades eletrônicas foram feitos a partir de métodos ab initio DFT com bases 6-31G(d), HF/STO-3G e DFT/3LYP. Foi investigado por meio de simulação computacional a relação entre o nível de oxidação do grafeno e suas propriedades físico-químicas tais como band gap, estutura dos orbitais moleculares e polarizabilidade. INTRODUÇÃO A descrição das propriedades ondulatórias das partículas por de Broglie e o modelo de Bohr levantaram a possibilidade de estudo de partículas por meio da mecânica ondulatória. Em 1922, Schorödinger postulou uma equação de autovalores para a qual seria possível obter-se o valor de energia e outras informações do estado estacionário de átomos e moléculas. A equação de onda de Schrödinger pode ser escrita como: ĤΨ = EΨ, onde Ĥ é o operador que fornece o valor da energia molecular total, chamado Hamiltoniano, E é a função de onda dos estados eletrônicos e Ψ representa os valores de energia permitidos dos respectivos estados, ou seja, os estados estacionários, para o sistema.(lesk, 1982) Uma vez que a distribuição de cargas de qualquer elétron depende da distribuição de cargas de sua vizinhança, a solução exata desta equação só pode ser obtida para átomos hidrogenóides, isto é, sistemas com um único elétron. Com

2 o fundamento teórico em química atualmente disponível é possível calcular uma série de propriedades de compostos através de simulação computacional. Os programas de computador disponíveis para tais estudos utilizam-se principalmente de três metodologias básicas de simulação: a Mecânica Molecular (que utiliza física clássica para simular sistemas), os Métodos Semi-Emipíricos (os quais utilizam uma combinação de parâmetros experimentais e cálculos de física quântica na modelagem de sistemas) e os cálculos ab initio (os quais estimam as propriedades de compostos através de aproximações das formulações de Schrödinger para a estrutura eletrônica dos átomos, moléculas e sólidos). Neste trabalho, foi investigado por meio de simulação computacional a relação entre o nível de oxidação do grafeno e suas propriedades. MATERIAL E MÉTODOS - As estruturas das moléculas estudadas foram construídas com o software Gauss View. - As geometrias das estruturas foram otimizadas inicialmente com o método de mecânica molecular campo de força OPLS. - As estruturas geometria das estruturas foram, então, otimizadas novamente com os métodos ab initio DFT/B3LYP (STO-3G*) e HF/STO-3G*. - Os valores de energia de band gap foram estimados pela diferença de energia entre os orbitais HOMO e LUMO das moléculas propostas. - Para os cálculos que de baixo custo computacional foram utilizados os processadores disponíveis no laboratório de química, sala 02, bloco II. Os cálculos com maior demanda computacional, foram efetuados no cluster do Centro de Armazenamento de Dados e Computação Avançada ( CACAU ) em parceria com a Universidade Estadual de Santa Cruz Ihéus Ba. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram realizados cálculos das moléculas para simular as estruturas do óxido de grafeno e grafano e os análogos substituídos com enxofre dos mesmos. Os compostos de oxigênio, carbono, hidrogênio e enxofre, conforme as tabelas abaixo.

3 Hartree-Fock/STO-3G átomo de oxigênio Energia do band gap (ev) Tabela. 1 Valor de energia dos orbitais HOMO e LUMO das estruturas para o óxido de grafeno obtido pelo método HF/STO-3G*. Método/ Base DFT/STO-3G átomo de oxigênio Energia do band gap (ev)

4 Tabela. 2 Valor de energia dos orbitais HOMO e LUMO das estruturas para o óxido de grafeno obtido pelo método HF/STO-3G*. Hartree-Fock /STO-3G átomo de enxofre Energia do band gap (ev) 2-S S S S S S S S S Tabela 3 Valores da energia do band gap utilizando o método Hartree-Fock. DFT/STO-3G átomo de enxofre Energia do band gap (ev) 2-S S S S S S S S

5 10-S Tabela 4 Valores da energia do band gap utilizando o método DFT. É possível observar que os valores de band gap obtidos pelo método: HF(STG- 3G) para as moléculas saturadas (propostas para simular o óxido de grafano) é fortemente dependente do tamanho da estrutura estudada. O aumento da estrutura causa uma diminuição no valor do band gap enquanto o ângulo médio dos anéis epóxido (-C- O-C-) sofre pouca variação com o aumento da estrutura. Analisando a estrutura epoxidada, não foram encontrados dados experimentais na literatura disponível para estruturas equivalentes, porém, para cadeias similares os valores podem ser comparados a valores de óxido de grafeno parcialmente oxidado. Devido à homogeneidade das estruturas de óxido de grafano simuladas o epóxido não fornece uma aproximação satisfatória do band gap do óxido de grafano. Ao adotar o método: DFT, e a base: STO-3G, o valor do band gap decresce significativamente, devido a correlação eletrônica e ao valor se aproximar do resultado experimental. Assim como no Hartree-Fock, o ângulo médio do anel epóxido não sofre variação com o aumento da estrutura. LITERATURA CITADA SAMETBAND, M. et al. Graphene oxide microspheres prepared by a simple, onestep ultrasonication method. NewJ. Chem., p , SART, J. W. Conceitos básicos para semicondutores Disponível em: < Acesso em: 01 dez SWART, J. W. Materiais Elétricos Disponível em: < Acesso em: 01 dez AGRADECIMENTOS "O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq Brasil"