Abordagens computacionais aplicadas ao estudo de semicondutores nanoestruturados
This thesis is mainly focused on applying different computational methodologies in two case studies, using hexagonal clusters with M6X6 (M = Zn, Cd e X = S, O) configuration as models for ZnS, Zn6-x Cdx S6 , CdS, and ZnO colloidal semiconductors with wurtzite structure. In the first work, it was pre...
| Autor principal: | Jesus, João Paulo Almirão de |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2022
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30113 |
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riut-1-301132022-11-18T06:07:07Z Abordagens computacionais aplicadas ao estudo de semicondutores nanoestruturados Computational methodologies applied to the study of nanostructured semiconductors Jesus, João Paulo Almirão de La Porta, Felipe de Almeida https://orcid.org/0000-0003-0990-7947 http://lattes.cnpq.br/9613088203057046 Albuquerque, Anderson dos Reis https://orcid.org/0000-0001-7727-266X http://lattes.cnpq.br/4983201442276288 Nascimento, Érica Cristina Moreno https://orcid.org/0000-0003-1365-177X http://lattes.cnpq.br/9078602057716749 La Porta, Felipe de Almeida https://orcid.org/0000-0003-0990-7947 http://lattes.cnpq.br/9613088203057046 Semicondutores Materiais nanoestruturados Funcionais de densidade Semiconductors Nanostructured materials Density functionals CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA Materiais This thesis is mainly focused on applying different computational methodologies in two case studies, using hexagonal clusters with M6X6 (M = Zn, Cd e X = S, O) configuration as models for ZnS, Zn6-x Cdx S6 , CdS, and ZnO colloidal semiconductors with wurtzite structure. In the first work, it was presented the theoretical study of the effects ofan electric field on the electronic structure and spectroscopic properties ofZn6-x Cdx S 6 clusters. Hence, it was identified distortions in the bond angles and lengths according to the cluster hybridization due to the more compact structure of Zn6 S6 in comparison to Cd6 S6 , while the Zn3 Cd3 S6 cluster was the most distorted, as wellas the Raman active-modes and the thermodynamical properties, suggesting theZn6 S6 clusters as the most stable. Under the effects of an electric field, the distortions in bond angles and lengths increase significantly, reaching alimit at 0.20 V Å-1 , thus observing polarizations in the local structuresand verifying the quantum Stark effect due to energy shifts in the physical properties and the HOMO and LUMO polarizations, keeping a tendency throughout the text. In the second work, a theoretical-experimental approach was taken in the study of ZnS and ZnO compounds in three steps. First, ZnS and ZnO nanoparticles were synthesized by means of the hydro(solvo)thermal route and their structural, spectroscopic, and photocatalytic propertieswere analyzed, showing their excellent ability to degrade methylene blue dye. Second, the ground and excited state structures of Zn6 O 6 and Zn6 S6 were simulated, studying their electronic and vibrational properties and their chemical behavior, in which QTAIM and NBO analyses indicated the higher ionic bond character of ZnO clusters, resulting in a more polarized and distorted structure and, as consequence, intrinsic defects. Lastly, the optimized clusters were submitted to molecular docking study , and their ability to inhibit the proteins of the SARS-CoV-2, Escherichia coli and Fusarium solani were evaluated, suggesting a broad spectrum of antimicrobial activityfor the ZnO and ZnS nanoparticles and elucidating the excited state influence into the higher inhibition activity against pathogenic agents. Hence, in this last study, it was discovered the high reactivity of these particles as disinfectant agents, UVA and UVB blocking ability, and a large spectrum of antimicrobial properties. Therefore, as shown in the results, the computational approaches reached excellent results in both works, always following tendencies and presenting values close to those reported in the literature and within the methodological deviation, highlighting the efficiency of theoretical calculations in the study of functional materials. Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Essa dissertação tem como principal objetivo a aplicaçãode diferentes abordagens computacionais em dois estudos de casos, utilizando clusters hexagonais, com configuração M6X6 (M = Zn, Cd eX = S, O), como modelos para semicondutores coloidais de ZnS, Zn6-x Cdx S6 , CdS e ZnO com estrutura wurtzita . No primeiro trabalho, foi apresentado um estudo teórico sobre os efeitos de um campo elétrico na estrutura eletrônica e nas propriedades espectroscópicas de clusters de Zn6-x Cdx S6 . Assim, foram identificadas distorções nos ângulos e comprimentos de ligações conforme a hibridização dos clusters devido a estrutura mais compacta de Zn6 S6 em relação ao Cd6 S6 , sendo a estrutura Zn3 Cd3 S6 a mais distorcida e, também, os modos ativos Raman e as propriedades termodinâmicas, sugerindo os clusters de Zn6 S6 como os mais estáveis. Com a aplicação do campo elétrico, as distorções dos comprimentos e ângulos de ligações aumentaram significativamente, com limite em 0,20 V Å-1 , sendo observada polarização das estruturas locais, além do efeito quântico Stark verificado pelos desvios de energia das propriedades físicas e na polarização dos orbitais HOMO e LUMO, mantendo uma tendência ao longo do trabalho.No segundo trabalho, foi feita uma abordagem teórica-experimental de nanopartículas de ZnS e ZnO em três partes. Na primeira parte foi realizada a síntese das nanopartículas por meio da rota hidro(solvo)térmica e as propriedades estruturais, espectroscópicas e fotocatalíticas analisadas, indicando a excelente capacidade das nanopartículas em degradar o corante azul de metileno. Na segunda parte, foram simuladas as estruturas no estado fundamental e excitado de clusters de Zn6 S6 e Zn6 O 6 , aprofundando então nas propriedades eletrônicas, vibracionais eno comportamento químico, no qual as análises de QTAIM e NBO mostraram um maior caráter iônico das ligações do cluster Zn6 O 6 , resultando em uma estrutura mais polarizada e distorcida consequentemente, em defeitos intrínsecos. Na última parte, os clusters optimizados foram submetidos a um estudo de ancoramento molecular e a inibição das principais enzimas do SARS-CoV-2, Escheria coli e Fusarium solani avaliadas, sugerindo um largo espectro de atividade antimicrobiana para as nanopartículas de ZnO e ZnS e elucidando a influência do estado excitado na maior atividade de inibição contra os agentes patogênicos. Com isso, nesse último estudo foram descobertasalta reatividade das nanopartículas como agente infectantes, bloqueio na região UVA e UVB e um largo espectro de propriedades antimicrobianas. Portanto, como mostrado nos resultados dos artigos, os métodos computacionais atingiram excelentes resultados em ambos os trabalhos,sempre seguindo tendências e apresentando valores próximos aos presentes na literatura para os sistemas alvos e dentro da margem de erro metodológico, destacando então a eficiência dos cálculos teóricos no estudo de materiais funcionais. 2022-11-17T20:04:03Z 2022-11-17T20:04:03Z 2022-09-27 masterThesis JESUS, João Paulo Almirão de. Abordagens computacionais aplicadas ao estudo de semicondutores nanoestruturados. 2022. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30113 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Londrina Brasil Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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Semicondutores Materiais nanoestruturados Funcionais de densidade Semiconductors Nanostructured materials Density functionals CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA Materiais |
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This thesis is mainly focused on applying different computational methodologies in two case studies, using hexagonal clusters with M6X6 (M = Zn, Cd e X = S, O) configuration as models for ZnS, Zn6-x Cdx S6 , CdS, and ZnO colloidal semiconductors with wurtzite structure. In the first work, it was presented the theoretical study of the effects ofan electric field on the electronic structure and spectroscopic properties ofZn6-x Cdx S 6 clusters. Hence, it was identified distortions in the bond angles and lengths according to the cluster hybridization due to the more compact structure of Zn6 S6 in comparison to Cd6 S6 , while the Zn3 Cd3 S6 cluster was the most distorted, as wellas the Raman active-modes and the thermodynamical properties, suggesting theZn6 S6 clusters as the most stable. Under the effects of an electric field, the distortions in bond angles and lengths increase significantly, reaching alimit at 0.20 V Å-1 , thus observing polarizations in the local structuresand verifying the quantum Stark effect due to energy shifts in the physical properties and the HOMO and LUMO polarizations, keeping a tendency throughout the text. In the second work, a theoretical-experimental approach was taken in the study of ZnS and ZnO compounds in three steps. First, ZnS and ZnO nanoparticles were synthesized by means of the hydro(solvo)thermal route and their structural, spectroscopic, and photocatalytic propertieswere analyzed, showing their excellent ability to degrade methylene blue dye. Second, the ground and excited state structures of Zn6 O 6 and Zn6 S6 were simulated, studying their electronic and vibrational properties and their chemical behavior, in which QTAIM and NBO analyses indicated the higher ionic bond character of ZnO clusters, resulting in a more polarized and distorted structure and, as consequence, intrinsic defects. Lastly, the optimized clusters were submitted to molecular docking study , and their ability to inhibit the proteins of the SARS-CoV-2, Escherichia coli and Fusarium solani were evaluated, suggesting a broad spectrum of antimicrobial activityfor the ZnO and ZnS nanoparticles and elucidating the excited state influence into the higher inhibition activity against pathogenic agents. Hence, in this last study, it was discovered the high reactivity of these particles as disinfectant agents, UVA and UVB blocking ability, and a large spectrum of antimicrobial properties. Therefore, as shown in the results, the computational approaches reached excellent results in both works, always following tendencies and presenting values close to those reported in the literature and within the methodological deviation, highlighting the efficiency of theoretical calculations in the study of functional materials. |
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JESUS, João Paulo Almirão de. Abordagens computacionais aplicadas ao estudo de semicondutores nanoestruturados. 2022. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2022. |
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