Estrutura eletrônica e propriedades de transporte quântico em nanoestruturas de grafeno e siliceno

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014.Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático sobre as propriedades eletrônicas de dois novos materiais bidimensionais - Grafeno e Siliceno. Efeitos de interações spin-órbita (ISO), strain uniaxial e potencial elétrico sobre as estruturas eletrônicas de grafeno, siliceno e suas correspondentes nanofitas foram investigadas através de cálculos de tight-binding. Encontramos que o strain induz a mudanças nos pontos de Dirac e uma distorção da primeira zona de Brillouin. Como resultado, o strain possibilita o aparecimento de gaps nos pontos de Dirac K e K^' e modula a estrutura de banda do siliceno em outros pontos k da rede recíproca. A intensidade dos efeitos de strain dependem fortemente da direção de aplicação do strain. Em adição, potenciais do tipo staggered pode ser utilizado para controlar estados de spin polarizado. A combinação de efeitos de spin-órbita intrínseco e campos externos aplicados podem induzir uma transição de fase topológica na nanofita de siliceno. Também realizamos um estudo sobre o transporte eletrônico de nanofitas de siliceno pelo método das funções de Green e fórmula de Landauer-Bütikker. A densidade de estados e condutância calculadas mostram a existência de estados de borda de energia zero para nanofitas do tipo zigzag, que são consideravelmente afetados por efeitos de ISO. Nossos resultados demonstram a grande aplicabilidade dessas nanoestruturas em dispositivos baseados no grau de liberdade do spin do elétron, na denominada spintrônica. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTWe have performed a systematic study on the electronic structures of novel two-dimensional materials – Graphene and Silicene. Effects of spin-orbit interactions (SOI), uniaxialstrain and staggered potential on electronic structures of graphene, silicene and their correspondent nanoribbons have been investigated by means of tight-binding calculation.We found that the strain induces shifts of Dirac points and a distortion of the first Brillionzone. As a result, an applied tensile strain opens gaps at Dirac points K and K0 andmodulates the band structure of silicene in other k-points. The magnitude of these straineffects depends strongly on direction of applied strain. In addition, staggered potentialcan be used to control both the band gap and the polarized spin-states. Furthermore,the combination of SOI and applied external fields may drive the silicene nanoribbonto a topological phase transition. On the other hand, we have also carried out study onthe electronic transport of silicene nanoribbons by using the Green’s function methodand Landauer-Büttiker formula. The density of states and conductance clearly show anexistence of the zero-energy edge states for zigzag nanoribbons, which are considerablyaffected by SOI. Our results demonstrate the feasibility of these nanostructures in devicesbased on the spin degree of freedom of the electron, in the so-called spintronics

Thermoelectric properties of topological chains coupled to a quantum dot

Topological one-dimensional superconductors can sustain zero energy modes protected by diferent kinds of symmetries in their extremities. Observing these excitations in the form of Majorana fermions is one of the most intensive quests in condensed matter physics. We are interested in another class of one-dimensional topological systems in this work, namely topological insulators. Which present symmetry-protected end modes with robust properties and do not require the low temperatures necessary for topological superconductivity. We consider a device in the form of a single electron transistor coupled to the simplest kind of topological insulators, namely chains of atoms with hybridized sp orbitals. We study the thermoelectric properties of the device in the trivial, non-trivial topological phases and at the quantum topological transition of the chains. We show that the device’s electrical conductance and the Wiedemann–Franz ratio at the topological transition have universal values at very low temperatures. The conductance and thermopower of the device with diatomic sp-chains, at their topological transition, give direct evidence of fractional charges in the system. The former has an anomalous low-temperature behavior, attaining a universal value that is a consequence of the double degeneracy of the system due to the presence of zero energy modes. On the other hand, the system can be tuned to exhibit high values of the thermoelectric fgure of merit and the power factor at high temperatures.Campus San Juan de Luriganch

Electronic, magnetic and transport properties of narrow zigzag graphene nanoribbons

Estudamos nanofitas de grafeno do tipo zigzag (ZGNRs), empregando simulações da teoria do funcional de densidade (DFT) e o método tight-binding (TB). O principal resultado desses cálculos é a obtenção do entrelaçamento das bandas de condução e de valência (tranças), gerando cones de Dirac para vetores de ondas não comensuráveis k. Empregando o Hamiltoniano TB, mostramos que essas tranças são geradas pela inclusão dos hopping de terceiros vizinhos (N3). Calculamos a estrutura de bandas, a densidade de estados e a condutância; novos canais de condutância são abertos e a condutância na energia de Fermi assume múltiplos inteiros da unidade de condutância quântica G0 = 2e2/h. Também investigamos a satisfação do critério de Stoner por essas ZGNRs. Calculamos as propriedades magnéticas do estado fundamental empregando LSDA (spin-unrestricted DFT) e confirmamos que ZGNRs com N = (2, 3) não satisfazem o critério de Stoner e, desse modo, a ordem magnética pode não se desenvolver nas bordas dessas nanofitas. Esses resultados são confirmados por cálculos TB e LSDA. Por outro lado, incluindo nos cálculos TB o hopping de terceiros vizinhos N3, investigamos os efeitos do acoplamento spin-órbita intrínseco e Rashba, assim como o campo magnético externo sobre as nanofitas zigue-zague do tipo colméia (ZHNRs), e mostramos que é possível obter uma polarização de spin completa das bordas dessas nanofitas. Abrindo com esses resultados a possibilidade de se empregar ZHNRs estreitas como uma plataforma para a realização experimental da cadeia de Kitaev, que pode hospedar fermions de Majorana nas suas extremidades.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)105f