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Bernardo Ruegger Almeida NevesSimone Silva AlexandreEduardo B. BarrosIndhira Oliveira MacielMonica Alonso CottaAna Paula Moreira Barboza2019-08-11T15:29:31Z2019-08-11T15:29:31Z2012-03-28http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8TMJDDNesta tese apresentaremos estudos de propriedades eletromecânicas de nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs), de lubrificantes sólidos (grafeno, dissulfeto de molibdênio e talco (ou pedra sabão)) e também de outros materiais esfoliáveis como seleneto de bismuto e mica. Durante a realização de todo o trabalho no Laboratório de Nanoscopia do DF-UFMG, contamos com uma intensa colaboração com o Laboratório de Estrutura Eletrônica (DF-UFMG), Laboratório de Espectroscopia e Imagens Espectroscópicas de Nano-Materiais (DF-UFMG) e com os Laboratórios de Espectroscopia Raman (tanto do DF/UFMG como da Dimat/Inmetro (RJ)). O comportamento de SWNTs mediante sua compressão radial foi investigado por Microscopia de Força Atômica (AFM). Observamos que a resposta de um nanotubo (com diâmetro d) à força F aplicada por uma ponta de AFM (com raio R) reescalada por Fd3/2(2R)-1/2 apresenta um comportamento universal que é função da deformação sofrida pelo tubo. A aplicação desse modelo à análise do módulo de Young radial do nanotubo leva a outro comportamento tipicamente universal, o qual explica as grandes variações desse parâmetro relatadas na literatura. Apresentamos ainda uma nova metodologia, baseada em imagens de Microscopia de Força Elétrica (EFM), para caracterização de nanotubos de carbono. Observamos diferenças nas respostas elétricas de tubos metálicos e semicondutores a um campo elétrico DC aplicado na ponta. Não apenas a intensidade das respostas é diferente, mas o perfil nas imagens de EFM é qualitativamente diferente para tubos metálicos e semicondutores, permitindo sua identificação. Baseados no resultado anterior, propomos uma nova perspectiva para controlar ocomportamento elétrico de nanotubos de carbono semicondutores a partir de sua superfície de contato. Diversos tubos (metálicos e semicondutores) foram colocados em contato com diferentes materiais (via ponta de SPM) durante experimentos de injeção de carga. Os dados experimentais mostram que nanotubos semicondutores apresentamdois comportamentos distintos dependendo do material da ponta: para sondas de silício e sondas recobertas por algum filme metálico, eles apresentam uma resposta típica de tubos semicondutores. Contudo, em contato com pontas cobertas por um filme de diamante, nanotubos semicondutores adquirem um comportamento tipicamente metálico. Nanotubos metálicos, por outro lado, apresentam sempre seu comportamento característico, independente da natureza da sonda. Cálculos ab initio sugerem que o comportamento metálico dos tubos semicondutores é induzido por uma forte dopagem provocada pelo contato com diamante. Em amostras de grafeno de duas ou mais camadas, temos evidências teóricas e experimentais da diamantização, induzida por compressão, a qual dá origem a um novo material 2D. Quando estas camadas de grafeno são comprimidas na presença de água, cálculos ab initio preveem que os grupos hidroxila estabilizam a hibridização sp3 das duas camadas de carbono mais externas, criando uma monocamada de diamante hidroxilado, ou Diamondol, o qual é um isolante ferromagnético. Experimentos de EFM, Microscopia de Força Magnética (MFM) e espectroscopia Raman foram realizados na tentativa de observar esse novo material. Os dados de EFM mostram umainibição na quantidade de carga injetada em bicamadas e multicamadas de grafeno, a qual é reversível, dependente da quantidade de água na superfície e ausente em monocamadas. Medidas magnéticas revelam a possibilidade de obtenção do Diamondol permanente. Espectros Raman, nas amostras permanentes, indicam que este pode ser um caminho promissor para a confirmação estrutural da rehibridização. Finalmente, serão apresentados resultados referentes à resposta mecânica de grafeno, h-BN (Nitreto de Boro), talco (ou pedra sabão), mica, Bi2Se3 (Seleneto de Bismuto) e MoS2 (Dissulfeto de Molibdênio) submetidos à compressão e cisalhamento, simultâneos, produzidos pela ponta de AFM. A resposta é caracterizada por uma expansão vertical quando os materiais lubrificantes sólidos são comprimidos. O efeito é proporcional a força aplicada, não ocorre na ausência de cisalhamento, aumenta com a velocidade, é anisotrópico e reversível. É também similar, em magnitude, em poucas camadas de grafeno, h-BN, talco e MoS2, mas está ausente em monocamadas de grafeno, poucas camadas de mica e Bi2Se3. O mecanismo físico proposto para explicar o efeito leva em conta a combinação entre a força compressiva e o cisalhamento promovido pela ponta, o qual induz um enrugamento dinâmico nas camadas superiores dos materiais onde é observado.This work shows studies regarding electromechanical properties of single wall carbon nanotubes, some solid lubricants (graphene, molybdenum disulfide, talc) and two other layered materials: bismuth selenide and mica. During all work, carried out at Laboratório de Nanoscopia of the Departamento de Física (DF-UFMG), we had anintense collaboration with the Laboratório de Estrutura Eletrônica (DF/UFMG), Laboratório de Espectroscopia e Imagens Espectroscópicas de Nano-Materiais (DFUFMG) and Laboratórios de Espectroscopia Raman (at DF/UFMG and at Dimat/Inmetro/RJ). The behavior of single-wall carbon nanotubes (SWNTs) to radial compressionwas investigated via Atomic Force Microscopy (AFM) measurements. We found that the response of a nanotube (with diameter d) to a force F, applied by an AFM tip (with radius R) rescaled through the quantity Fd3/2(2R)-1/2, falls into a universal curve as a function of the compressive strain. The application of this model to the radial Youngsmodulus, Er, leads to a further universal-type behavior, which explains the large variations of nanotube Er reported in the literature. In another work with SWNTs, we present a new approach for their electricalcharacterization, where we used Electric Force Microscopy (EFM) images. The differences of the electric response of metallic and semiconducting carbon nanotubes to a DC electric field applied by the tip of a Scanning Probe Microscope (SPM) are observed accurately. Not only the magnitudes of their responses are different, but, more important, the EFM line profile across a nanotube is qualitatively distinct for metallic orsemiconducting tubes. Following this previous result, we propose a new perspective to control the electrical behavior of semiconducting SWNTs through their surface contact. Several nanotubes (metallic and semiconducting) were put in contact with different materials (via a SPM tip) during electric charging experiments. The experimental data show that semiconducting nanotubes present two distinct behaviors depending on the tip material: for bare Si and metal-covered tips, they present their characteristic response. However, upon contact with a diamond-coated tip, semiconducting nanotubes actually portray a metallic-type electric response. Metallic nanotubes, nonetheless, show their typical behavior, independent of the probe nature. Ab initio calculations suggest that the metallic behavior of semiconducting SWNTs is induced by a strong doping of the tubes when in contact with diamond surfaces. On graphene samples, we got theoretical and experimental evidences of compression-induced surface diamondization of few-layer graphene, which originates a new 2D material. When two or more graphene layers are compressed in the presence of water, ab initio calculations predict that hydroxyl groups stabilize the sp3 hybridization of the two topmost carbon layers, creating a single layer of hydroxylated diamond, or Diamondol, which is a ferromagnetic insulator. In the pursuit for this new material, EFM, Magnetic Force Microscopy (MFM) and Raman spectroscopy experiments were performed. The EFM data show a compression-induced charging inhibition of bilayer and fewlayer graphene, which is reversible in most of the cases, water-dependent, and it is absent in single-layer graphene. Magnetic measurements reveal the possibility of obtaining permanent Diamondol. Raman results, in the permanent samples, indicate that this is a promising way to confirm the re-hibridization. Finally, we report mechanical response of few-layer graphene, h-BN (Hexagonal Boron Nitride), talc (soapstone), mica, Bi2Se3 (Bismuth Selenide) and MoS2 (Molybdenun Disulfide) to the simultaneous compression and shear by an AFM tip. The response is characterized by the vertical expansion of the two-dimensional (2D) solidlubricant materials upon compression. Such effect is proportional to the applied load, it is null in the absence of shear, increases with tip velocity, and it is anisotropic and reversible. It also has similar magnitudes in few-layer graphene, h-BN and MoS2, but it is absent in single-layer graphene and in few-layer mica and Bi2Se3. We propose a physical mechanism for the effect where the combined compressive and shear stresses from the tip induce dynamical wrinkling on the upper material layers, leading to the observed flake thickening.Universidade Federal de Minas GeraisUFMGFísicaFísicaPropriedades eletromecânicas de nanoestruturas por microscopia de varredura por sondainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALtesefinal.pdfapplication/pdf7614279https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/BUOS-8TMJDD/1/tesefinal.pdf8035fc935b0a557b3e0040ca96918b7eMD51TEXTtesefinal.pdf.txttesefinal.pdf.txtExtracted texttext/plain292564https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/BUOS-8TMJDD/2/tesefinal.pdf.txta52bfc873423b3a39c06dfe6e49cc877MD521843/BUOS-8TMJDD2019-11-14 07:14:19.855oai:repositorio.ufmg.br:1843/BUOS-8TMJDDRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2019-11-14T10:14:19Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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