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B–C–N diamondol-like compounds : stability trends and electronic properties.
(2022) Pinto, Allan Kleyton Muniz; Pontes, João Guilherme de Moraes; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Azevedo, Sérgio André Fontes
In this work we apply first principles calculations to investigate the stability trends of mixed boron, nitrogen and carbon diamondol-like compounds. Several distinct geometric models are tested by varying the stoichiometry and position of boron and nitrogen dopants. We verify the special stability of a complete boron nitride compound – the bonitrol –, and we show that carbon substitutions in the bonitrol structure may also lead to stable systems. The electronic characterization of the resulting compounds indicates a rich phenomenology, with metallic, semimetallic, half-metallic and semiconducting behaviors.
Charge transfer between carbon nanotubes on surfaces.
(2015) Araujo, Karolline Aparecida de Souza; Barboza, Ana Paula Moreira; Fernandes, Thales Fernando Damasceno; Shadmi, Nitzan; Joselevich, Ernesto; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Neves, Bernardo Ruegger Almeida
The charge transfer between neighboring single-walled carbon nanotubes (SWNTs) on a silicon oxide surface was investigated as a function of both the SWNT nature (metallic or semiconducting) and the anode/cathode distance using scanning probe techniques. Two main mechanisms were observed: a direct electron tunneling described by the typical Fowler–Nordheim model, and indirect electron transfer (hopping) mediated by functional groups on the supporting surface. Both mechanisms depend on the SWNT nature and on the anode/cathode separation: direct electron tunneling dominates the charge transfer process for metallic SWNTs, especially for large distances, while both mechanisms compete with each other for semiconducting SWNTs, prevailing one over the other depending on the anode/cathode separation. These mechanisms may significantly influence the design and operation of SWNT-based electronic devices.
Electromechanical modulations in transition metal dichalcogenide nanosheets : implications for environmental sensors.
(2021) Bessa, Maurício Vasconcelos; Freitas, Wellington Damaceno de; Neme, Natália Paz; Martins, Luiz Gustavo Pimenta; Barboza, Ana Paula Moreira; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Neves, Bernardo Ruegger Almeida
Transition metal dichalcogenides (TMDs) are key players in the two-dimensional materials nanoarena due to their exquisite optoelectronic properties under a standard environment (room temperature and atmospheric pressure). Nevertheless, as reported in the literature, they may also portray interesting physical properties under different environments. Here, we show two distinct and significant electromechanical modulations in TMD nanosheets which are tuned by the environmental conditions (applied pressure and adsorbents). Using scanning probe microscopy techniques, we modify the environmental conditions and observe steplike rises in the electrical response of all studied TMDs (MoS2, WS2, MoSe2, and WSe2monolayers and few layers). Ab initio calculations enable full understanding of specific mechanisms behind these electromechanical modulations, which may find important applications in the design of TMD-based environmental sensors.
Electronic band tuning and multivalley raman scattering in monolayer transition metal dichalcogenides at high pressures.
(2022) Martins, Luiz Gustavo Pimenta; Carvalho, Bruno R.; Occhialini, Connor A.; Neme, Natália Paz; Park, Ji-Hoon; Song, Qian; Venezuela, Pedro Paulo de Mello; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Kong, Jing; Comin, Riccardo
Transition metal dichalcogenides (TMDs) possess spin-valley locking and spin-split K/K′ valleys, which have led to many fascinating physical phenomena. However, the electronic structure of TMDs also exhibits other conduction band minima with similar properties, the Q/Q′ valleys. The intervalley K−Q scattering enables interesting physical phenomena, including multivalley superconductivity, but those effects are typically hindered in monolayer TMDs due to the large K−Q energy difference (ΔEKQ). To unlock elusive multivalley phenomena in monolayer TMDs, it is desirable to reduce ΔEKQ, while being able to sensitively probe the valley shifts and the multivalley scattering processes. Here, we use high pressure to tune the electronic properties of monolayer MoS2 and WSe2 and probe K−Q crossing and multivalley scattering via double-resonance Raman (DRR) scattering. In both systems, we observed a pressure-induced enhancement of the double-resonance LA and 2LA Raman bands, which can be attributed to a band gap opening and ΔEKQ decrease. First-principles calculations and photoluminescence measurements corroborate this scenario. In our analysis, we also addressed the multivalley nature of the DRR bands for WSe2. Our work establishes the DRR 2LA and LA bands as sensitive probes of strain-induced modifications to the electronic structure of TMDs. Conversely, their intensity could potentially be used to monitor the presence of compressive or tensile strain in TMDs. Furthermore, the ability to probe K−K′ and K−Q scattering as a function of strain shall advance our understanding of different multivalley phenomena in TMDs such as superconductivity, valley coherence, and valley transport.
Estudo das propriedades de filmes finos de hidróxido ftalocianina de alumínio e de dissulfeto de molibdênio hidrogenado por primeiros princípios.
(2020) Neme, Natália Paz; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Matos, Matheus Josué de Souza; mazzoni@fisica.ufmg.br; matheusmatos@ufop.edu.br; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Ribeiro, Guilherme de Almeida Silva; Barboza, Ana Paula Moreira
Neste trabalho investigamos, por meio de cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade, dois problemas independentes: a formação de filmes finos de Hidróxido Ftalocianina de Alumínio (AlOHPc) e a hidrogenação parcial de monocamadas de Dissulfeto de Molibdênio MoS2. O primeiro trabalho teve como principal motivação explicar os resultados experimentais que mostraram um comportamento diferente do esperado para os filmes finos de AlOHPc depositados a partir da técnica de spin-coating. Os resultados mostraram um deslocamento hipsocrômico no espectro de absorção do filme e a difração de Raios X mostrou que ocorre uma distância interplanares no filme fino. Inicialmente caracterizamos a molécula monomérica e, em seguida, calculamos o espectro de absorção, orbitais moleculares e estados excitados da molécula. Posteriormente, foram feitos diversos cálculos para diferentes dimerizações com o objetivo de encontrar a possível agregação dos filmes experimentais. Os espectros de absorção para o monômero e dímeros foram comparados como equivalentes aos espectros da solução e filme fino, respectivamente. Resultados mostraram que o monômero possui uma maior contribuição eletrônica HOMO para LUMO, com uma alta intensidade no espectro de absorção. Para os diferentes tipos de agregados foi calculado um blue shift no espectro de absorção, concordando com os resultados experimentais. Por fim, foram feitas simulações de diferentes configurações cristalinas assim como cálculo da difração de Raios X dessas cristalizações. O segundo trabalho também teve como motivação resultados experimentais nos quais mono- e multi-camadas de MoS2 são submetidas a pressões em meios ricos em moléculas de H2O. Isso acontece, por exemplo, em experimentos de Microscopia de Força Atômica (AFM) - nesse caso, um campo elétrico também pode ser aplicado e o comportamento eletrônico da amostra monitorado via medidas de injeção de carga. Na etapa inicial de aplicação de força, grupos -H podem ser gerados próximos à superfície do material podendo assim interagir com a superfície do MoS2 . Procuramos, mais especificamente, por transições no comportamento eletrônico que possam ser detetadas na caracterização da amostra por Microscopia de Força Elétrica. Nossos resultados mostram uma transição semicondutor-metal reversível que é compatível com os resultados experimentais obtidos.
Estudo de primeiros princípios de poucas camadas de dicalcogenetos de metal de transição sob pressão.
(2019) Freitas, Wellington Damaceno de; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Matos, Matheus Josué de Souza; Silveira Júnior, Orlando José; Barboza, Ana Paula Moreira
Recentemente, o estudo sobre os materiais 2D tem apresentado resultados interessantes no que diz respeito à modulação de propriedades ópticas, estruturais e eletrônicas quando submetidos a deformações. Neste trabalho, utilizando cálculos de primeiros princípios, foram reportados resultados do estudo de compressão de uma classe de materiais 2D, conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), quando são submetidos a uma pressão externa uniaxial no eixo perpendicular ao plano dos materiais. Em particular, estudamos os materiais 1H-MX2, onde podemos ter M=Mo e W e X=S,Se e Te. A principal motivação para o estudo são resultados de caracterização eletromecânica com injeção de carga e compressão dos TMDs realizados por experimentos de microscopia de varredura por sonda. Os resultados à temperatura ambiente mostram que existe um aumento na quantidade de carga injetada no material, quando se aumenta a força, com o surgimento de dois patamares. Isso é um indicativo que está ficando mais fácil injetar mais carga e que o material pode estar sofrendo uma alteração nas propriedades eletrônicas, com, por exemplo, uma transição semicondutor-metal (SM). Os resultados experimentais com temperatura elevada (acima de 120º) mostram um comportamento diferente na injeção de carga com o surgimento de apenas um patamar. Utilizando a teoria do funcional da densidade, como implementado no código SIESTA, modelamos a aplicação de pressão uniaxial nos materiais e descrevemos a transição SM com base nas deformações que ocorrem nos materiais. Diferentes números de camadas sob pressão foram analisadas. Os resultados obtidos explicam qualitativamente a transição SM para o caso de temperatura elevada. No caso de temperatura ambiente, moléculas podem ser encontradas na superfície dos materiais. Nos experimentos de pressão essas moléculas, ou átomos, podem se ligar a superfície dos TMDs causando uma transição SM diferente. Com essa suposição foram realizados cálculos onde átomos de hidrogênio podem se ligar aos calcogenetos dos TMDs. Os resultados mostram uma fenomenologia rica na descrição das transições. O processo de hidrogenação faz a primeira camada dos materiais sofrerem a transição e com a pressão adicional as outras camadas sofrem transições por deformação.
Estudo sobre a dopagem de diferentes fases de Nb2O5 utilizando a Teoria do Funcional da Densidade.
(2022) Lara, Ramon Silva; Matos, Matheus Josué de Souza; Galvão, Breno Rodrigues Lamaghere; Matos, Matheus Josué de Souza; Batista, Ronaldo Junio Campos; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho
O Brasil é um dos maiores produtores de nióbio do mundo e a pesquisa com esse material torna- se muito importante para encontrar nichos para sua aplicação. O pentóxido de nióbio (Nb2O5) contém grandes quantidades de nióbio. Este é um material semicondutor que possui diferentes fases. Existem pelo menos três polimorfos Nb2O5 importantes e sua cristalização depende se temos baixa(600 ◦C á 800◦C), média(800◦C á 950◦C) ou alta(acima de 1000◦C) temperatura. As fases em temperatura média são conhecidas como fase B e para temperatura alta temos a fase H. No processo de síntese desses materiais, é possível que existam átomos metálicos dopantes como Co e Ni. Aqui, apresentamos um estudo utilizando a teoria do funcional da densidade so- bre a estrutura eletrônica e propriedades estruturais e energéticas das fases B e H dopadas com átomos de cobalto e níquel. Nossos cálculos são baseados na teoria do funcional da densidade como implementada no código SIESTA. Na primeira parte do estudo, discutimos as proprieda- des estruturais e energéticas das fases do Nb2O5 puras. Os resultados obtidos na primeira parte estão de acordo com que já existe na literatura. A energia de formação das fases B e H dife- rem em apenas 0,2 eV e, de acordo com nossos cálculos, a fase B é a mais estável em T=0. Também descobrimos que a lacuna de energia desses materiais é de aproximadamente 1,5 eV. Para Nb2O5 / H e Nb2O5 / B dopado com átomos de cobalto, surgem estados de defeito loca- lizados próximos ao mínimo da banda de condução (CBM) e ao máximo da banda de valência (VBM). Por outro lado, para dopagem com átomos de níquel, os estados de defeito surgem no meio do gap. Outro resultado foi obtido realizando cálculos com efeito de polarização do spin, indicando a componente de spin que participa da criação de estados, quando a nióbia é dopada.
Estudo teórico experimental de nanocamadas de Antimônio.
(2023) Jammal, Nathany Ferreira; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Barboza, Ana Paula Moreira; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Oliveira, Alan Barros de; Pinto, Elisângela Silva
A promessa de encontrar uma nova e excitante física nos materiais bidimensionais (2D), a qual poderá levar a importantes aplicações em nanotecnologia, foi, e continua sendo, o motor para a investigação nesse campo em grande aceleração em nível mundial. Entretanto, quando falamos em materiais 2D semicondutores, enfrentamos restrições em suas aplicações, já que muitos possuem gaps de energia menores que 2,0 eV, o que limita muito suas aplicações, especialmente em dispositivos optoeletrônicos. Novos semicondutores 2D, como arseneno e antimoneno, que apresentam gaps maiores e alta estabilidade, foram previstos com base em cálculos por primeiros princípios. Curiosamente, embora As e Sb sejam normalmente semimetais, eles se tornam semicondutores com gaps indiretos de 2,49 e 2,28 eV respectivamente, quando esfoliados em uma camada atômica. Sob pequena tensão biaxial, estes materiais podem ser transformados de semicondutores de gap indireto para semicondutores de gap direto. Mudanças tão consideráveis na estrutura eletrônica poderiam abrir caminho para transistores com alta razão on/off baseados em materiais bidimensionais. A caracterização desses materiais é primordial para sua aplicabilidade: é extremamente importante compreender os efeitos, em escala atômica, produzidos por mecanismos externos em sua estrutura a fim de controlar suas propriedades. Neste trabalho, objetivamos estudar, teórica e experimentalmente, camadas de antimônio, na escala nanométrica, utilizando técnicas de Microscopia de Varredura por Sonda e cálculos por primeiros princípios. Nos cálculos, procuramos por um efeito ou fenômeno que possa ser identificado nos experimentos de microscpopia subsequentes. Encontramos, de fato, que, diferententemente de outros materiais 2D, monocamadas de antimoneno podem se romper em um efeito relacionado à interação com outras moléculas via transferência de carga, e essa transferência de carga pode ser controlada por pressão. Nos experimentos, encontramos algumas situações que podem ser interpretadas no contexto dessas previsões teóricas.
Graphene/h-BN heterostructures under pressure : from van der Waals to covale.
(2019) Barboza, Ana Paula Moreira; Souza, Alan Custodio dos Reis; Matos, Matheus Josué de Souza; Brant, Juliana Caldeira; Barbosa, Tiago Campolina; Chacham, Helio; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Neves, Bernardo Ruegger Almeida
Scanning probe microscopy and ab initio calculations reveal modifications on the electronic and structural properties of graphene/h-BN heterostructures induced by compression. Using AFM and EFM techniques, with charge injection being made in the heterostructures at different pressures, the charge injection efficiency monotonically decreases with increasing pressure for monolayer-graphene (MLG)+BN heterostructures, indicative of a conductor-insulator electronic transition. Bilayer-graphene (BLG)+BN and trilayer-graphene (TLG)+BN heterostructures show a non-monotonic behavior of charge injection versus pressure, indicative of competing electronic structure modifications. First-principle calculations of these systems indicate a pressure-induced van der Waals-to-covalent interlayer transition, where such interlayer covalent binding, in the presence of water molecules, results in a disordered insulating structure for the MLG + BN case, while it leads to an ordered conducting structure for both BLG + BN and TLG + BN heterostructures. These opposing effects may have a strong influence on graphene/h-BN-based electronic devices and their physics under pressurized environments.
Hard, transparent, sp3 -containing 2D phase formed from few-layer graphene under compression.
(2021) Martins, Luiz Gustavo Pimenta; Silva, Diego L.; Smith, Jesse S.; Lu, Ang-Yu; Su, Cong; Hempel, Marek; Occhialini, Connor; Ji, Xiang; Pablo, Ricardo; Alencar, Rafael Silva; Souza, Alan Custodio dos Reis; Pinto, Alysson Alves; Oliveira, Alan Barros de; Batista, Ronaldo Junio Campos; Palacios, Tomas; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Matos, Matheus Josué de Souza; Comin, Riccardo; Kong, Jing; Cançado, Luiz Gustavo de Oliveira Lopes
Despite several theoretically proposed two-dimensional (2D) diamond structures, experimental efforts to obtain such structures are in initial stage. Recent high-pressure experiments provided significant advancements in the field, however, expected properties of a 2D-like diamond such as sp3 content, transparency and hardness, have not been observed together in a compressed graphene system. Here, we compress few-layer graphene samples on SiO2/Si substrate in water and provide experimental evidence for the formation of a quenchable hard, transparent, sp3 -containing 2D phase. Our Raman spectroscopy data indicates phase transition and a surprisingly similar critical pressure for two-, five-layer graphene and graphite in the 4e6 GPa range, as evidenced by changes in several Raman features, combined with a lack of evidence of significant pressure gradients or local non-hydrostatic stress components of the pressure medium up to z 8 GPa. The new phase is transparent and hard, as evidenced from indentation marks on the SiO2 substrate, a material considerably harder than graphene systems. Furthermore, we report the lowest critical pressure (z 4 GPa) in graphite, which we attribute to the role of water in facilitating the phase transition. Theoretical calculations and experimental data indicate a novel, surfaceto-bulk phase transition mechanism that gives hint of diamondene formation.
High-pressure studies of atomically thin van der Waals materials.
(2023) Martins, Luiz Gustavo Pimenta; Comin, Riccardo; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Neves, Bernardo Ruegger Almeida; Yankowitz, Matthew
Two-dimensional (2D) materials and their moire superlattices represent a new frontier for quantum matter research due to the emergent properties associated with their reduced dimensionality and extreme tunability. The properties of these atomically thin van der Waals (vdW) materials have been extensively studied by tuning a number of external parameters such as temperature, electrostatic doping, magnetic field, and strain. However, so far pressure has been an under-explored tuning parameter in studies of these systems. The relative scarcity of high- pressure studies of atomically thin materials reflects the challenging nature of these experiments, but, concurrently, presents exciting oppor- tunities for discovering a plethora of unexplored new phenomena. Here, we review ongoing efforts to study atomically thin vdW materials and heterostructures using a variety of high-pressure techniques, including diamond anvil cells, piston cylinder cells, and local scanning probes. We further address issues unique to 2D materials such as the influence of the substrate and the pressure medium and overview efforts to theoretically model the application of pressure in atomically thin materials.
Oxidation-driven formation of precisely ordered antimonene nanoribbons.
(2020) Souza, Alan Custodio dos Reis; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho
The control of geometric structure is a key aspect in the interplay between theoretical predictions and experimental realization in the science and applications of nanomaterials. This is particularly important in one-dimensional structures such as nanoribbons, in which the edge morphology dictates most of the electronic behavior in low energy scale. In the present work we demonstrate by means of first principles calculations that the oxidation of few-layer antimonene may lead to an atomic restructuring with formation of ordered multilayer zig-zag nanoribbons. The widths are uniquely determined by the number of layers of the initial structure, allowing the synthesis of ultranarrow ribbons and chains. We also show that the process may be extended to other compounds based on group V elements, such as arsenene. The characterization of the electronic structure of the resulting ribbons shows an important effect of stacking on band gaps and on modulation of electronic behavior.
Propriedades mecânicas, eletrônicas e estruturais de novos materiais 2D.
(2019) Pinto, Alysson Alves; Matos, Matheus Josué de Souza; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho; Matos, Matheus Josué de Souza; Batista, Ronaldo Junio Campos; Souza, Thonimar Vieira de Alencar; Chacham, Helio
Nos últimos anos, uma ampla gama de trabalhos experimentais e teóricos em nanoestruturas bidimensionais (2D) proporcionou uma melhor compreensão das formidáveis propriedades eletrônicas, ópticas e mecânicas dessa classe emergente de materiais. No presente trabalho, modificações das propriedades eletrônicas e estruturais das heteroestruturas grafeno/h-BN, diamondol e bonitrol induzidas por tensão foram investigadas através de cálculos ab initio. Utilizando o formalismo da Teoria do Funcional da Densidade implementada no código SIESTA [1], com o cálculo da relação tensão versus deformação em diferentes direções, verificamos que estes novos materiais possuem módulos de Young maiores que os do grafeno e do h-BN. Além disso, a deformação intrínseca (εint) e a tensão intrínseca (σint) foram determinados a partir do valor máximo de σ. Descobrimos que as heteroestruturas de grafeno/h-BN possuem o maior σint. O valor encontrado para a armchair (zigzag) foi de 52,4 N/m (52,6 N/m). Para o diamondol e o bonitrol, encontramos 42 N/m e 35 N/m na direção zigzag e 37 N/m e 32,5 N/m na direção armchair, respectivamente. Para heteroestruturas de grafeno/h-BN, temos uma força intrínseca quase 65% maior que o grafeno na direção armchair e cerca de 17% maior na direção zigzag. Outra questão interessante diz respeito às mudanças na estrutura de bandas eletrônicas desses novos materiais. Descobrimos que é possível modular o gap de energia de apenas uma componente de spin no caso do diamondol, enquanto a outra componente de spin permanece quase inalterada. Para os outros novos materiais - bonitrol e heteroestruturas grafeno/h-BN - encontramos pequenas alterações na estrutura eletrônica, sem alterações no comportamento condutivo. No entanto, é possível observar mudanças nos níveis de energia em suas faixas de condução. Estes efeitos podem ter uma forte influência nas modulações de propriedades para aplicações tecnológicas e ajudar a esclarecer a física de novos materiais sob deformações mecânicas.
Sistemas orgânicos autoconstruídos e sua interação com materiais bidimensionais : uma abordagem de primeiros princípios.
(2017) Carvalho, Genilson de Melo; Matos, Matheus Josué de Souza; Batista, Ronaldo Junio Campos; Matos, Matheus Josué de Souza; Nascimento, Regiane do; Neves, Bernardo Ruegger Almeida; Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho
Sistemas Orgânicos Autoconstruídos (SAM) são de grande importância, pois possuem diversas aplicações em Nanociência, assim como em caracterização de materiais bidimensionais. Neste trabalho, estudamos as propriedades eletrônicas, energéticas e estruturais de uma molécula orgânica, o Ácido Retinóico (RA), depositada em materiais bidimensionais como o grafeno, hBN e MoS2. Para isso, utilizamos cálculos de primeiros princípios usando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), com um funcional que leva em conta as interações de van der Waals, implementado no Código SIESTA. Investigamos a interação do RA com diferentes substratos para analisar as formas de empilhamentos, as propriedades eletrônicas e a formação de camadas de RA. Para a interação do RA com cada substrato escolhemos cinco configurações diferentes, sendo que em três delas o RA está deitado em relação ao substrato, enquanto nas outras está em pé. Dos resultados obtidos vimos que a forma de empilhamento mais estável (configuração a) é aquela em que a molécula está deitada, com o anel de carbono paralelo ao plano dos substratos. Isso é verdade para todos os substratos estudados: grafeno, hBN e MoS2. O grafeno apresenta uma dopagem do tipo p ao interagir com a molécula. Além disso, os resultados também mostram que para formação de camadas de RA, a configuração mais estável é aquela em que molécula tem uma interação calda-calda (entre grupos OH). Ao interagir com o hBN o gap do RA foi alterado de 1:85 eV para 1:70 eV, porém o gap do hBN permaneceu inalterado. A curva de absorção óptica da configuração (a) é a única que não vai a zero após 2:6 eV, por isso pode existir transições da molécula para o hBN. Em todas as configurações o RA introduz estados dentro do gap dos sistemas (hBN+RA e MoS2+RA). Os resultados para o grafeno estão de acordo com experimentos de AFM e EFM realizados pelo Prof. Bernardo Neves e a Profª. Karolline Araújo, onde o arranjo observado experimentalmente para o RA no grafeno mostra uma periodicidade de 2:7 nm.

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