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Semiconducting chains of gold and silver
Full text linkThe authors introduce a geometry for ultrathin Au and Ag wires that ab initio
calculations indicate to be more stable than previously considered planar
geometries for these systems, by about 0.1 eV per atom. This structure is
insulating for both metals and for related Ag_(0.5)-Au_(0.5) alloys, with gaps
of 1.3 eV for Au, 0.8 eV for Ag, and varying between 0.1 eV and 1.9 eV for the
alloys. The insulating nature of the geometry is not a result of Peierls
instabilities, and is analyzed in terms of an interplay between geometric and
electronic structure effects.Comment: 4 pages, 3 figures (3 pages in published format
Estudo de nanofios metálicos por primeiros principios
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Previous issue date: 4Neste trabalho, apresentamos resultados de cálculos de estrutura eletrônica para nanofios de metais de transição nobres (Au, Ag, Pt, Pd) e do meio das séries 4d e 5d da tabela periódica (W, Mo, Ta, Nb). Os cálculos por primeiros princípios foram realizados utilizando-se o código computacional denominado SIESTA, que permite a solução numérica para os auto-estados eletrônicos dentro da Teoria do Funcional da Densidade. O funcional de troca e correlação utilizado foi o GGA. No SIESTA, as auto-funções de Kohn-Sham são expandidas em uma base de pseudo-orbitais atômicos confinados e os coeficientes da expansão são obtidos diagonalizando-se a matriz secular. As interações entre os elétrons de valência e os "caroços" atômicos (núcleo mais elétrons das camadas internas) são descritas pela aproximação de pseudo- potencial. No segundo capítulo discutimos resumidamente a metodologia que utilizamos nos cálculos. No terceiro capítulo estudamos o papel do efeito relativístico na estabilidade de fios zig-zags e lineares de metais nobres e de metais do meio de série. Observamos que o efeito relativístico tende a favorecer energeticamente estruturas de baixa coordenação nos metais nobres, sendo que este efeito é mais intenso nos metais 5d do que nos 4d. Isto se dá porque o número atômico Z maior faz com que o efeito relativístico agindo sobre os elétrons mais próximos ao núcleo seja mais forte do que nos 4d. No caso dos metais do meio da série o efeito relativístico é oposto ao observado nos metais nobres, ao desfavorecer energeticamente as estruturas de baixa coordenação. No quarto capítulo estudamos fios ultrafinos de Au, Ag e da liga Au-Ag, com densidades lineares de átomos entre 0,7 e 1 átomos/Å. Propusemos uma nova estrutura para este regime de densidade, que além de ser mais estável do que as previamente estudadas, é semicondutora para ambos os metais e para a liga Au0,5-Ag0,5. No quinto capítulo investigamos as propriedades eletrônicas e estruturais de nanofios e nanotubos metálicos de Au e Ag com densidades lineares de átomos entre 1,1 e 5,1 átomos/Å. Estudamos a estabilidade de nanofios e nanotubos com diversas estruturas em função das suas respectivas densidades. Observamos que o efeito relativístico leva à estabilização de nanofios de uma parede em relação a estruturas derivadas da rede fcc. Como este efeito é mais intenso no Au do que no Ag, os nanotubos no Au são estruturas, mais competitivas, energeticamente, do que no Ag. Neste trabalho, propusemos também uma deformação em tubos não quirais (2n, n) de Au e de Ag, onde ocorre o facetamento das paredes do tubo, sendo que esta estrutura facetada é mais estável que o tubo original. Calculamos a barreira de transição do nanotubo (10,5) para a estrutura facetada correspondente e verificamos que este tubo é instável à temperatura acima de 40K.In the present work, we investigate electronic and structural properties of nanowires based on noble metals (Au,Ag,Pt,Pd) and mid-series 4d and 5d transition metals (W,Mo,Ta,Nb). We employ an ab initio methodology implemented in the SIESTA package, based in theKohn-Sham formulation of density functional theory (DFT). The generalized gradient approximation (GGA) is used for the exchange- correlation energy and pseudopotentials are used in order to reduce computational cost. In the second chapter we give a brief description of the methodology used in calculations. In the third chapter we study theimpact of the relativistic effect in linear and zigzag chains made of noble metals and mid-series transition metals. In the noble metals the relativistic effect tends to favor energetically the low coordination structures. This effect is stronger in the 5d metals where the atomic number Z is larger. As a consequence, the relativistic effect stabilizea two-fold coordinated structure in the 5d noble metals which is not stable in the 4d noble metals. In the case of the mid-series transition metals the relativistic effect has the opposity effect, i.e., it tends to destabilize the low coordination structures. The relativistic effect causes a contraction in the low coordination bonds in the noble metals and causesan expansion in the case of the middle series transition metals. In the fourth chapter we study ultrathin nanowires made of Au, Ag and of the Au-Ag alloy. The linear atomic densities of these ultrathin nanowires are restricted to a range of 0.7 to 1.0 atoms/°A. We introduce in this work a new geometry that our calculations indicate to be more stable than the previously geometries for these systems, by about 0.1 eV/atom. This structure is insulating for both metals and for related Au0.5-Ag0.5 alloys, with gaps of 1.3 eV for Au, o.8 eV for Ag, and varying between 0.1 eV and 1.9 eV for the alloys. In the fifth chapter we investigate electronic and structural properties of nanowires and nanotubes made of Au and Ag with linear atomic densities in a range of 1.1 to 5.1 atoms/°A. We study the stability of the nanowires and nanotubes as a function of the their respectives linear atomic densities. We observe from the calculations that the relativistic effects tends to turn the nanotubes more competitive energetically with the fcc based structures nanowires. As this effect is stronger in Au than Ag it happens that nanotubes are more competitiveswith the fcc nanowires in Au than in Ag. In this work we propose a deformation of the non-quiral (2n, n) nanotubes of Ag and Au that lowers the energy of the nanotube. This deformation consists of a flattening of the nanotube wall, that icreases the aspect ratio of the resulting structure. We calculate the energy barrier involved in the transformation of the (10, 5) tube into the distored flatterned one, and we observe that the (10, 5) tube is unstable for temperatures above 40 K
