Propriedades eletromecânicas de nanoestruturas por microscopia de varredura por sonda

Nesta tese apresentaremos estudos de propriedades eletromecânicas de nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs), de lubrificantes solidos (grafeno, dissulfeto de molibdenio e talco (ou pedra sabao)) e tambem de outros materiais esfoliaveis como seleneto de bismuto e mica. Durante a realizacao de todo o trabalho no Laboratorio de Nanoscopia do DF-UFMG, contamos com uma intensa colaboracao com o Laboratorio de Estrutura Eletronica (DF-UFMG), Laboratorio de Espectroscopia e Imagens Espectroscopicas de Nano-Materiais (DF-UFMG) e com os Laboratorios de Espectroscopia Raman (tanto do DF/UFMG como da Dimat/Inmetro (RJ)). O comportamento de SWNTs mediante sua compressao radial foi investigado por Microscopia de Forca Atomica (AFM). Observamos que a resposta de um nanotubo (com diâmetro d) a forca F aplicada por uma ponta de AFM (com raio R) reescalada por Fd3/2(2R)-1/2 apresenta um comportamento universal que e funcao da deformacao sofrida pelo tubo. A aplicacao desse modelo a analise do modulo de Young radial do nanotubo leva a outro comportamento tipicamente universal, o qual explica as grandes variacoes desse parâmetro relatadas na literatura. Apresentamos ainda uma nova metodologia, baseada em imagens de Microscopia de Forca Eletrica (EFM), para caracterizacao de nanotubos de carbono. Observamos diferencas nas respostas eletricas de tubos metalicos e semicondutores a um campo eletrico DC aplicado na ponta. Nao apenas a intensidade das respostas e diferente, mas o perfil nas imagens de EFM e qualitativamente diferente para tubos metalicos e semicondutores, permitindo sua identificacao. Baseados no resultado anterior, propomos uma nova perspectiva para controlar ocomportamento eletrico de nanotubos de carbono semicondutores a partir de sua superficie de contato. Diversos tubos (metalicos e semicondutores) foram colocados em contato com diferentes materiais (via ponta de SPM) durante experimentos de injecao de carga. Os dados experimentais mostram que nanotubos semicondutores apresentamdois comportamentos distintos dependendo do material da ponta: para sondas de silicio e sondas recobertas por algum filme metalico, eles apresentam uma resposta tipica de tubos semicondutores. Contudo, em contato com pontas cobertas por um filme de diamante, nanotubos semicondutores adquirem um comportamento tipicamente metalico. Nanotubos metalicos, por outro lado, apresentam sempre seu comportamento caracteristico, independente da natureza da sonda. Calculos ab initio sugerem que o comportamento metalico dos tubos semicondutores e induzido por uma forte dopagem provocada pelo contato com diamante. Em amostras de grafeno de duas ou mais camadas, temos evidencias teoricas e experimentais da diamantizacao, induzida por compressao, a qual da origem a um novo material 2D. Quando estas camadas de grafeno sao comprimidas na presenca de agua, calculos ab initio preveem que os grupos hidroxila estabilizam a hibridizacao sp3 das duas camadas de carbono mais externas, criando uma monocamada de diamante hidroxilado, ou Diamondol, o qual e um isolante ferromagnetico. Experimentos de EFM, Microscopia de Forca Magnetica (MFM) e espectroscopia Raman foram realizados na tentativa de observar esse novo material. Os dados de EFM mostram umainibicao na quantidade de carga injetada em bicamadas e multicamadas de grafeno, a qual e reversivel, dependente da quantidade de agua na superficie e ausente em monocamadas. Medidas magneticas revelam a possibilidade de obtencao do Diamondol permanente. Espectros Raman, nas amostras permanentes, indicam que este pode ser um caminho promissor para a confirmacao estrutural da rehibridizacao. Finalmente, serao apresentados resultados referentes a resposta mecânica de grafeno, h-BN (Nitreto de Boro), talco (ou pedra sabao), mica, Bi2Se3 (Seleneto de Bismuto) e MoS2 (Dissulfeto de Molibdenio) submetidos a compressao e cisalhamento, simultâneos, produzidos pela ponta de AFM. A resposta e caracterizada por uma expansao vertical quando os materiais lubrificantes solidos sao comprimidos. O efeito e proporcional a forca aplicada, nao ocorre na ausencia de cisalhamento, aumenta com a velocidade, e anisotropico e reversivel. E tambem similar, em magnitude, em poucas camadas de grafeno, h-BN, talco e MoS2, mas esta ausente em monocamadas de grafeno, poucas camadas de mica e Bi2Se3. O mecanismo fisico proposto para explicar o efeito leva em conta a combinacao entre a forca compressiva e o cisalhamento promovido pela ponta, o qual induz um enrugamento dinâmico nas camadas superiores dos materiais onde e observado.