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Abstract:
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A química do estado sólido compreende o estudo de metodologias sintéticas e outras abordagens para projetar materiais com propriedades físico-químicas adequadas às mais diversas aplicações, tendo como foco de estudo materiais cerâmicos, metais e semicondutores. Estes últimos, por sua vez, têm alto potencial tecnológico, sendo aplicados no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e em processos fotocatalíticos. O dióxido de silício (SiO2) é conhecido por apresentar estruturas no estado cristalino e amorfo, o que garantem ao óxido inúmeras estruturas distintas de caráter isolante. Em sua forma cristalina, o SiO2 já foi investigado em diferentes polimorfos, sendo alguns destes pouco explorados, tanto por abordagens experimentalistas quanto abordagens teórico-computacionais. Esse é o caso da fase fluorita, que apresenta arranjo cúbico e simetria Fm-3m, no qual o Si se encontra em um sítio octa-coordenado. Diante da escassez de estudos a respeito das propriedades desse polimorfo, a estrutura pura e dopada com nióbio (Nb) é foco do presente trabalho. Para tanto, o material em sua forma de bulk e diferentes superfícies foram investigadas por meio de simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional de Densidade (DFT), usando o software CRYSTAL23. Os resultados obtidos demonstraram que a energia das superfícies da fase fluorita do SiO2 é mais dependente do número de ligações faltantes ao redor do átomo de silício que do que das espécies químicas expostas. No caso das propriedades eletrônicas, observou-se um band gap semicondutor de 3,36 eV característico de materiais semicondutores para o material em sua forma bulk. Para as superfícies, por sua vez, foram encontrados valores esperados para materiais condutores. A análise das características dos portadores de carga e potenciais de borda das bandas de valência e condução indica que propriedades fotocatalíticas são esperadas apenas para o material na forma bulk, em virtude do valor do band gap obtido para este. Por sua vez, a dopagem com Nb em seu estado de oxidação Nb5+ influencia principalmente sobre os níveis de energia próximos ao nível de Fermi, mantendo os gaps condutores encontrados para a superfície. Embora o gap condutor permaneça inalterado, a dopagem exerce influência significativa sobre a concentração dos portadores de carga, aumentando a densidade de elétrons, classificando este como uma impureza doadora. De modo geral, os resultados obtidos indicaram que todas as superfícies puras e dopadas apresentaram alto potencial tecnológico para desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, enquanto o bulk do polimorfo fluorita se destacou por apresentar propriedades semicondutoras. |
