Year |
Student |
2022 |
Raphael Pimenta |
2021 |
Hiago Carvalho |
2020 |
Gabriel Macedo |
2019 |
Gabriel Marinho |
2022 – Raphael César de Souza Pimenta
Estudo da viabilidade do uso da computação quântica para análise de propriedades de sólidos
periódicos
A física de materiais tem sido desenvolvida ao longo das últimas décadas com grande ajuda de simulações digitais nos supercomputadores que temos disponíveis no século atual. Porém, é certo que há conhecidos limites de até onde podem chegar essas simulações e quais sistemas somos capazes de simular em um tempo de computação eficaz. A computação quântica surge com promessas de romper certas barreiras da computação clássica, aumentando a capacidade computacional disponível para as mais diversas tarefas e, possivelmente, uma delas será a física de materiais. Em nosso trabalho realizamos uma revisão bibliográfica do que é feito atualmente para simulação de materiais periódicos através da computação quântica, assim como também realizamos algumas simulações em computadores quânticos disponíveis para acesso público. Um grande ponto de nosso levantamento foi que, dentre todas as aplicações da computação quântica, a aplicação em física de sólidos periódicos ainda é modesta, sendo a aplicação em sistemas moleculares uma das maiores fontes de trabalhos e referências. Pudemos realizar com o que descobrimos, simulações para a estrutura de bandas de alguns átomos, como o silício e o grafeno em um simulador local. Também pudemos simular em uma máquina quântica \textit{in silico} um modelo generalizado de Hamiltoniano para estudar o seu comportamento a medida que variávamos seus parâmetros. Para o grafeno, fomos capazes de calcular sua estrutura em um simulador quântico local e o resultado foi similar ao que era esperado pela literatura. Para o silício obtivemos uma diferença acentuada no seu estado de energia excitado, que acreditamos ser devido a simplicidade de nossa aproximação.
2021 – Hiago Maurílio Lopes Carvalho
Análise das propriedades ópticas e elétricas em ligas de AgxAu1-x utilizando a teoria do funcional de densidade
O avanço da tecnologia demanda o desenvolvimento de novos dispositivos condutores que podem ser amplamente utilizados em aplicações biomédicas, sistemas fotovoltaicos e biosensores. Ligas de ouro e prata se mostram interessantes para tais aplicações enquanto nanodispositivos, pois o comportamento optoeletrônico destas ligas possibilita ajustar a ressonância plasmônica da estrutura, fato que aumenta a busca por novas propriedades dos materiais compostos de ouro e prata. Com esse objetivo, neste trabalho, realizamos cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT) para o estudo das propriedades estruturais e optoeletrônicas de ligas metálicas compostas por prata e ouro (Ag x Au 1−x ), além das estruturas compostas puramente por prata (Ag 1,0 ) e puramente por ouro (Au 1,0 ). Para descrever as funções de onda e as densidades de carga, utilizamos pseudopotenciais do tipo Norm Conserving não local (NC-PP) que suaviza o comportamento dos elétrons de valência. Para estudar o comportamento das estruturas em função de suas estequiometrias na configuração tridimensional (bulk), calculamos a estrutura de bandas, a densidade de estados total e parcial ou projetada (DOS e PDOS), a função dielétrica, os índices de refração e extinção e a birrefringência. Para tanto, foi empregado o funcional de troca e correlação na aproximação do gradiente generalizado (GGA) com a parametrização de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Os resultados mostraram que há uma concentração de estados abaixo do nível de Fermi (entre −6 eV e −2 eV) ocasionados, predominantemente, por contribuições do orbital d. Ao analisarmos as partes real e imaginária da função dielétrica, constatamos o aparecimento de anisotropia na resposta óptica da liga Ag 0,50 Au 0,50 , enquanto todas as outras composições possíveis para 4 átomos tiveram comportamento isotrópico. A anisotropia pode estar associada há um acúmulo de carga nos átomos de prata da estrutura Ag 0,50 Au 0,50 , fazendo com que a contribuição da densidade parcial de estados relacionada aos orbitais d xz não seja simétrica aosorbitais d xy e d yz . Em comparação aos resultados da literatura, não encontramos trabalhos que relatem a anisotropia na resposta óptica da liga Ag 0,50 Au 0,50 . A anisotropia observada pode ser a causa dos resultados experimentais contrastantes, para os quais a geometria de excitação pode ser diferente em cada experimento. Do ponto de vista teórico, a maioria dos trabalhos se baseia em interpolações das propriedades dos sistemas puros, para os quais a anisotropia não está presente. Deste modo, usando tais técnicas, não esperamos que a anisotropia possa ser observada. A existência dessa anisotropia abre novas perspectivas de aplicação desse tipo de estrutura, como, por exemplo, materiais plasmônicos birrefringentes.
2020 – Gabriel da Silva Macedo
Redes neurais artificiais aplicadas na otimização de propriedade de sistemas semicondutores contendo poços quânticos
Com a descoberta dos transistores, em 1948, os dispositivos semicondutores começaram a ter uma importância incomensurável no avanço tecnológico, possibilitando a construção de diversos outros dispositivos. Inicialmente os estudos com semicondutores se baseavam apenas em um material, entretanto ao unir dois ou mais semicondutores geram-se estruturas que apresentam um comportamento eletrônico distinto de quando os materiais estão separados, estas estruturas são chamadas de heteroestruturas. Tais heteroestruturas são crescidas por meio de técnicas altamente precisas e possibilitam o confinamento dos portadores de carga em uma, duas e três dimensões. Contudo o estudo dessas estruturas, devido ao grande número de portadores, geralmente é realizado por meio de várias aproximações para que a equação de Schrödinger tenha solução com os recursos computacionais atuais. Paralelamente, outra área que está crescendo atualmente é a inteligência artificial que tem como um dos métodos as redes neurais artificiais. Nesse sentido, esta dissertação tem como objetivo utilizar as redes neurais artificiais no estudo de heteroestruturas semicondutoras que possuem poços quânticos. Utilizando a aproximação de massa efetiva, a relação de dispersão para elétron nessas heteroestruturas é parabólica no número de onda, igual a de um elétron
livre, contudo essa não é a relação de dispersão mais completa. Levando em consideração fatores como o acoplamento entre bandas, a melhor relação de dispersão deve levar em consideração termos de ordem superior no número de onda, dando origem a bandas de energia não-parabólica. Podemos obter a relação de dispersão mais completa por meio de um modelo semi-empírico, onde a massa efetiva do elétron passa a depender da energia da banda. Nesse modelo, desacoplando as bandas de valência e condução, podemos usar um método iterativo para tratar as bandas não-parabólicas como desacopladas e obter as autoenergias da heteroestrutura. Utilizando este modelo foi construído o dataset utilizado para treinar as redes neurais artificiais e verificar que com um conjunto de dados limitado as redes neurais são capazes de encontrar padrões e retornar as energias não parabólicas para diversas heteroestruturas otimizando o processo de obtenção dessas energias.
2019 – Gabriel Marinho Machado
Recuperando o uso da aproximação de massa efetiva em perovskitas híbridas de baixa dimensionalidade por meio da aproximação de bandas não parabólicas
A utilização comercial de células solares baseadas em perovskitas híbridas está cada vez mais próxima da realidade. O rápido crescimento da eficiência de conversão fotovoltaica destas células, adicionalmente à facilidade e baixo custo de síntese, mostra as perovskitas híbridas como materiais bastante promissores na área de dispositivos optoeletrônicos. Contudo, esse tipo de material apresenta desafios, principalmente no que tange sua estabilidade estrutural. Por sua vez, as Perovskitas Ruddlesden–Popper (PRP), as quais possuem cadeias orgânicas que confinam as camadas de perovkitas híbridas, têm proporcionado uma maior estabilidade estrutural em relação às estruturas convencionais. Devido à sua arquitetura em
camadas, as PRP apresentam confinamento quântico bidimensional para os portadores de carga, podendo ser estudadas através da física de poços quânticos unidimensionais. Logo, podemos analisar esses sistemas heteroestruturados de baixa dimensionalidade por meio de aproximações tais como a de massa efetiva e de função envelope. Possibilitando, dessa forma, o entendimento das propriedades físicas das Perovskitas Ruddlesden–Popper à partir da resolução da equação de Schrödinger unidimensional para um elétron em um sistema cristalino. Contudo, a utilização dessas aproximações tradicionais de semicondutores, não se enquadra perfeitamente às perovskitas, principalmente a aproximação de massa efetiva,
levando à resultados espúrios. A fim de contornar essas dificuldades e ainda assim utilizar tal aproximação, propusemos que o efeito da não parabolicidade na relação de dispersão desses materiais deve ser levado em consideração. Com esse propósito, a solução da equação de Schrödinger foi feita numericamente, utilizando a abordagem de matrizes de diferenciação para bandas não-parabólicas. Como resultado, mostramos ser possível o emprego do modelo de massa efetiva também para as perovskitas Ruddlesden–Popper, reobtendo suas propriedades de transição ótica, em grande acordo com resultados experimentais. Para tanto, o emprego da aproximação de bandas não-parabólicas possui um papel fundamental e deve ser levado em consideração. Além disso, mostramos que a energia da ligação excitônica
dá significado à aproximação de não-parabolidade. Acreditamos que os resultados obtidos possam facilitar consideravelmente o estudo da física desse tipo de sistema contendo poços quânticos, uma vez que na aproximação de massa efetiva, as propriedades eletrônicas podem ser obtidas a partir das propriedades de um elétron unidimensional sujeito ao potencial da heteroestutura.