Explorando nanomateriais : estudo experimental e teórico das propriedades do NiO e propriedades óticas de defeitos em h-BN

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Medeiros, Susane Eterna Leite
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31593
Resumo: The study of nanomaterials has become increasingly fascinating, as their size can generate unusual behavior, altering their properties. For this study, nickel oxide (NiO) and hexagonal boron nitride (h-BN) were chosen and it could be seen that both have adjustable electronic and optical properties, making them eligible for various applications, such as for example nanoelectronic devices. Regarding NiO, a systematic theoretical and experimental investigation of its properties was developed. NiO nanoparticles were synthesized by the coprecipitation method (Cp) and calcined at different temperatures (350◦C - 650◦C), allowing the formation of samples with different crystallite sizes (8.73 - 32.40 nm). To characterize the samples, Thermogravimetric analysis (TG/DTG), X-ray diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FITR), Raman Spectroscopy, Visible-Ultraviolet and Near Infrared Spectroscopy (UV-Vis-NIR) and electrocatalytic performance for the Oxygen Evolution Reaction (OER). Furthermore, the optical results obtained by UV-Vis-NIR measurements were also simulated by Density Functional Theory (DFT) for a better understanding of the experimentally observed behavior. Regarding h-BN, several types of punctual defects were inserted in its crystalline structure, such as vacancies and/or antisites and substitutional impurities of a carbon atom and the electronic and optical properties were theoretically investigated using DFT. Both materials have their properties strongly related to their structure. NiO stood out for presenting changes in bandgap energy values as a function of crystallite size, excellent optical conductivity and electrocatalytic activity. In the case of h-BN, it started to behave like a semiconductor or a conductor depending on the presence of defects. All defects inserted in h-BN were associated with a source of single photon emission, exhibiting extra absorption of light in the infrared and visible regions. Photon emission by a two-dimensional material opens up new applications in quantum engineering. Finally, the theoretical study proved to be a powerful auxiliary tool to predict and/or better understand some behaviors of nanomaterials. Despite the computational limitations and the difficulty of describing exchange and correlation effects, such as that presented by nickel’s 3d orbitals, it was possible to obtain satisfactory results, within the same order of magnitude.
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NiO nanoparticles were synthesized by the coprecipitation method (Cp) and calcined at different temperatures (350◦C - 650◦C), allowing the formation of samples with different crystallite sizes (8.73 - 32.40 nm). To characterize the samples, Thermogravimetric analysis (TG/DTG), X-ray diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FITR), Raman Spectroscopy, Visible-Ultraviolet and Near Infrared Spectroscopy (UV-Vis-NIR) and electrocatalytic performance for the Oxygen Evolution Reaction (OER). Furthermore, the optical results obtained by UV-Vis-NIR measurements were also simulated by Density Functional Theory (DFT) for a better understanding of the experimentally observed behavior. Regarding h-BN, several types of punctual defects were inserted in its crystalline structure, such as vacancies and/or antisites and substitutional impurities of a carbon atom and the electronic and optical properties were theoretically investigated using DFT. Both materials have their properties strongly related to their structure. NiO stood out for presenting changes in bandgap energy values as a function of crystallite size, excellent optical conductivity and electrocatalytic activity. In the case of h-BN, it started to behave like a semiconductor or a conductor depending on the presence of defects. All defects inserted in h-BN were associated with a source of single photon emission, exhibiting extra absorption of light in the infrared and visible regions. Photon emission by a two-dimensional material opens up new applications in quantum engineering. Finally, the theoretical study proved to be a powerful auxiliary tool to predict and/or better understand some behaviors of nanomaterials. Despite the computational limitations and the difficulty of describing exchange and correlation effects, such as that presented by nickel’s 3d orbitals, it was possible to obtain satisfactory results, within the same order of magnitude.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqO estudo de nanomateriais tem se tornado cada vez mais fascinante, pois sua escala pode alterar suas propriedades, gerando comportamentos inusitados. Para este estudo, foram escolhidos dois materiais: o óxido de níquel (NiO) e o nitreto de boro hexagonal (h-BN). Pôde-se perceber que ambos possuem propriedades eletrônicas e óticas ajustáveis, tornandoos elegíveis para diversas aplicações, como por exemplo para dispositivos nanoeletrônicos. Em relação ao NiO, desenvolveu-se uma investigação sistemática teórica e experimental de suas propriedades. Nanopartículas de NiO foram sintetizadas pelo método de coprecipitação (Cp) e calcinadas a diferentes temperaturas (350◦C - 650◦C), propiciando a formação de amostras com diferentes tamanhos de cristalitos (8,73nm - 32,40 nm). Para caracterizar as amostras, empregou-se análise termogravimétrica (TG/DTG), difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de absorção na região do infravermelho com transformada de Fourier (FITR), espectroscopia Raman, espectroscopia de absorção molecular nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho próximo (UVVis- NIR) e desempenho eletrocatalítico para a reação de evolução do oxigênio (OER). Além disso, os resultados óticos obtidos pelas medidas de UV-Vis-NIR também foram simulados pela Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para um melhor entendimento do comportamento observado experimentalmente. Em relação ao h-BN, foram inseridos diversos tipos de defeitos pontuais em sua estrutura cristalina, como vacâncias e/ou antisítios e impurezas substitucionais de um átomo de carbono e as propriedades eletrônicas e óticas foram investigadas teoricamente utilizando-se DFT. Ambos os materiais têm as suas propriedades fortemente relacionadas à sua estrutura. O NiO destacou-se por apresentar mudanças nos valores de energia de bandgap em função do tamanho do cristalito, excelentes condutividade ótica e atividade eletrocatalítica. No caso do h-BN, este passou a comportar-se como um semicondutor ou um condutor em função da presença de defeitos. Todos os defeitos inseridos no h-BN foram associados como fonte de emissão de fóton único, exibindo absorção extra de luz nas regiões do infravermelho e visível do espectro eletromagnético. A emissão de fóton por um material bidimensional abre espaço para novas aplicações, principalmente em engenharia quântica. Por fim, o estudo teórico mostrou ser uma poderosa ferramenta auxiliar para predizer e/ou compreender melhor alguns comportamentos de nanomateriais. Apesar das limitações computacionais e da dificuldade de descrever efeitos de troca e correlação, como o apresentado pelos orbitais 3d do níquel, foi possível obter resultados satisfatórios, dentro da mesma ordem de grandeza.Universidade Federal da ParaíbaBrasilFísicaPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFPBAzevedo, Sérgio André Fonteshttp://lattes.cnpq.br/2195090548621158Medeiros, Susane Eterna Leite2024-08-27T18:12:27Z2024-05-072024-08-27T18:12:27Z2023-03-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31593porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-08-28T06:09:58Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/31593Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2024-08-28T06:09:58Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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description The study of nanomaterials has become increasingly fascinating, as their size can generate unusual behavior, altering their properties. For this study, nickel oxide (NiO) and hexagonal boron nitride (h-BN) were chosen and it could be seen that both have adjustable electronic and optical properties, making them eligible for various applications, such as for example nanoelectronic devices. Regarding NiO, a systematic theoretical and experimental investigation of its properties was developed. NiO nanoparticles were synthesized by the coprecipitation method (Cp) and calcined at different temperatures (350◦C - 650◦C), allowing the formation of samples with different crystallite sizes (8.73 - 32.40 nm). To characterize the samples, Thermogravimetric analysis (TG/DTG), X-ray diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FITR), Raman Spectroscopy, Visible-Ultraviolet and Near Infrared Spectroscopy (UV-Vis-NIR) and electrocatalytic performance for the Oxygen Evolution Reaction (OER). Furthermore, the optical results obtained by UV-Vis-NIR measurements were also simulated by Density Functional Theory (DFT) for a better understanding of the experimentally observed behavior. Regarding h-BN, several types of punctual defects were inserted in its crystalline structure, such as vacancies and/or antisites and substitutional impurities of a carbon atom and the electronic and optical properties were theoretically investigated using DFT. Both materials have their properties strongly related to their structure. NiO stood out for presenting changes in bandgap energy values as a function of crystallite size, excellent optical conductivity and electrocatalytic activity. In the case of h-BN, it started to behave like a semiconductor or a conductor depending on the presence of defects. All defects inserted in h-BN were associated with a source of single photon emission, exhibiting extra absorption of light in the infrared and visible regions. Photon emission by a two-dimensional material opens up new applications in quantum engineering. Finally, the theoretical study proved to be a powerful auxiliary tool to predict and/or better understand some behaviors of nanomaterials. Despite the computational limitations and the difficulty of describing exchange and correlation effects, such as that presented by nickel’s 3d orbitals, it was possible to obtain satisfactory results, within the same order of magnitude.
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