Propriedades eletrônicas e opticas de nanoestruturas semicondutoras e polímeros conjugados

Marilia Junqueira Caldas — Grupo Nanomol

A estrutura da matéria condensada é ditada pelo arranjo eletrônico, e por sua vez dita as propriedades do sistema eletrônico nas suas interações com campos externos, elétricos, magnéticos, ou com a própria luz. O conhecimento dessas propriedades tem permitido a construção de dispositivos (micro-)eletrônicos e optoeletrônicos variados, de diodos e transistores a lasers, de diodos emissores de luz a sensores de gases. Até muito recentemente, o estudo tanto teórico quanto experimental, e portanto toda a tecnologia, era derivada de materiais (semicondutores, óxidos, metais,..) em regime de deslocalização eletrônica, em que do ponto de vista da unidade formadora do material —a célula unitária representativa— o sistema a ser considerado tem dimensões tais que pode ser considerado infinito. Seguem desta hipótese os teoremas, postulados e modus operandi conhecidos por todos: teorema de Bloch, uso da aproximação do campo médio, aproximações de contínuo. A necessidade de miniaturização dos dispositivos eletrônicos empurra a tecnologia para a fronteira onde estamos fora do regime de deslocalização, e nenhuma dessas aproximações tem validade: devemos aprender a trabalhar nessa fronteira de baixa dimensionalidade, em que o sistema eletrônico é confinado a duas, uma ou zero dimensões (poços 2D ou 1D ou pontos quânticos 0D). Estamos na fronteira também entre as tradicionais áreas de “sólidos” e “moléculas”.

Um exemplo de nanoestruturas semicondutoras são as nanopartículas de silício, 0D, a parte ativa de materiais como o silício poroso: tem dimensões de dezenas a centenas de angströms, e propriedades opticas inesperadas. Outro exemplo de confinamento natural são polímeros conjugados, que podem ser cadeias longas ou pequenos oligômeros, mas que têm sempre deslocalização 1D ao longo da cadeia e interação 3D fraca no material em si. As propriedades de tais sistemas não podem ser descritas nem pela teoria de Bloch de campo médio, nem pela teoria de sistemas finitos usual.

Podemos focalizar o problema no hamiltoniano que descreve a correlação eletrônica, cujo tratamento exato é factível apenas em regime de extrrema localização, tem tratamento razoavelmente detalhado e bem conhecido para sistemas de poucos elétrons, e pode em geral ser tratado de forma muito aproximada no regime de deslocalização. Nessa fronteira de sistemas nanoscópicos devemos descobrir qual é o melhor tratamento.

Temos investido em desenvolvimento formal para esse problema, além de utilizar também métodos padrão (dos dois regimes). Tratarei principalmente do problema de polímeros orgânicos conjugados em empacotamento 3D, onde os dois regimes coexistem.

Grupo Nanomol — Grupo Teórico de Eletrônica Molecular

Marilia J. Caldas(DFEP)

Helena Petrilli e Sonia F. Pessoa (DFMT)

Douglas Galvão e Bernardo Laks (DFAP-IFGW-UNICAMP)

Rogerio Baierle (C.Univ. Franciscano Sta Maria RS)

Pós-Doutor (somente o vinculado ao DFEP)

Neemias Alves de Lima

Alunos (somente os vinculados ao FEP)

Doutorado:

Henady Malarenko

Liliana Y. Ancalla Dávila

Mestrado:

Benedito Maurício Silva

Marcelo Maia Garcia

Alexandre Martins de Melo

Colaboração internacional (somente a vinculada a MJC)

Elisa Molinari—Grupo de Nanociência, Universidade de Modena.

O trabalho do grupo é voltado ao estudo de propriedades estruturais, eletrônicas, óticas e magnéticas de sistemas de dimensões nanoscópicas, ou tipicamente moleculares. Os materiais investigados vão desde moléculas orgânicas de interesse biológico, passando por polímeros orgânicos de interesse tecnológico, até nanoestruturas semicondutoras ou metálicas. Estão aqui incluídos processos em superfícies e interfaces, em interação com defeitos, impurezas, moléculas, ou nanopartículas. O trabalho é teórico, feito seja utilizando métodos computacionais já disponíveis na comunidade acadêmica (comerciais, de domínio público, ou através de colaboração com os autores) ou muitas vezes através de desenvolvimento do código computacional necessário. Tanto no desenvolvimento como no uso, o grupo domina técnicas que cobrem desde formalismos totalmente empíricos e parametrizados, até formalismos de primeiros princípios.

O grupo tem apoio da FAPESP dentro de um Projeto Temático, e do CNPq/MCT através do programa dos Institutos do Milênio (MJC,DSG e HP), ambos na área de Polímeros Orgânicos Conjugados, além de bolsas de produtividade. MJC tem também apoio do Istituto Nazionale di Fisica della Materia, unidade Modena-Reggio Emilia (INFM, Italia).