Propriedades eletrônicas dos calcogenetos e dicalcogenetos metálicos com aplicação em fotocatálise

Abstract

Resumo: O crescimento tecnológico tem instigado pesquisadores a buscar por novos dispositivos que devam suprir a alta demanda de energia e que reduzam a emissão de poluentes, principalmente combustíveis fósseis. A partir da obtenção do grafeno em 2004 e o início das pesquisas em materiais bidimensionais, pesquisadores mostraram que o universo dos materiais 2D é muito rico em diversas propriedades físicas, com atenção especial a fenômenos ópticos. Dentre eles, há uma classe de fotocatalisadores que, em condições bem específicas é capaz de produzir gás hidrogênio a partir da água, utilizando como fonte de energia a luz solar. Estudos de materiais com boa eficiência em fotocatálise são escassos na literatura científica, assim, a modelagem permite alterar e aumentar sua performance. A análise da estrutura eletrônica desses materiais nos proporciona a compreensão do mecanismo de funcionamento dos fenômenos eletrônicos e ópticos. Para obtê-la, é possível empregar a Teoria do Funcional da Densidade que é, além de uma ferramenta poderosa, um modelo matemático muito consolidado e popular no meio acadêmico e tecnológico, que se fundamenta nas leis fundamentais da física. Este trabalho se dedica a estudar sistematicamente a estrutura eletrônica do dicalcogeneto de tungstênio WX2, sua versão Janus WXY e o os calcogenetos metálicos ZnX e CdX (X, Y= S, Se, Te). Para isso, realizamos empilhamento, strain e aplicamos campo elétrico nesses sistemas com o objetivo de entender a dinâmica da estrutura eletrônica e melhorar as propriedades fotocatalíticas. Na maioria dos casos, foi observado que os gaps de energia estão dentro do espectro visível, e diversas propriedades como massa efetiva, band edges são fortemente influenciadas quando submetidas a fatores externos. Por meio dessas análises ficou claro que existe a possibilidade de modelar as propriedades físicas, fazendo com que esses materiais se tornem mais eficientes quando aplicados na fotocatálise. As propriedades ópticas dos calcogenetos metálicos, assim como a bicamada CdS-ZnTe fornecem mais uma confirmação de sua promissora aplicabilidade em dispositivos optoeletrônicos ativados por luz solar.

Abstract: Technological progress has instigated researchers to investigate new devices that must supply the high energy demand for energy and that reduce the emission of pollutants, like fossil fuels. Since the synthesis of graphene in 2004 and the beginning of research on two-dimensional materials, researchers have shown that it has several interesting physical properties, with special attention to optical phenomena. As an example, there is a class of photocatalysts that under very specific conditions is capable of producing hydrogen gas from water, using sunlight as energy source. Unfortunately, there are few materials in the literature that satisfy the requirements to be efficient, so the modeling of nanomaterials allows to increase the performance. The analysis of the electronic structure of these materials provides us an understanding of the configuration of electronic and optical phenomena. To obtain it, it is possible to use the Density Functional Theory which is a powerful tool and a very consolidated and popular mathmatical model in the academic and scintific fild, which uscs fundamental laws of physics. This work is dedicated to studying the electronic structure of the tungsten dichalcogenide WX2; its Janus counterpart WY and the metallic chalcoge-nides ZnX and CdX (X, Y= S, Se, Te). For this, we perform stacking, strain and apply electric field in order to understand the dynamics of the electronic structure and improve the photocatalytic properties. In most cases, it was observed that the energy gaps are within the visible spectrum, and that several properties such as effective mass, band edges are strongly influenced when they are influenced by external factors. Through the analysis it is clear that there is the possibility of modeling the physical properties, making these materials capable of being applied in the photocatalysis mechanism. The optical properties of metal chalcogenides, as well the CdS-ZnTe bilayer provide further confirmation of its promising applicability in sunlight-activated optoelectronic devices.