Reaction pathways and energy barriers for relative translation of graphene monolayers: a theoretical investigation

Abstract

Grafeno e multicamadas de grafeno têm sido objeto de estudos teóricos e experimentais devido ao seu potencial para uma ampla gama de aplicações tecnológicas e também porque são materiais com propriedades muito interessantes do ponto de vista de Física Básica. Há evidências de que as propriedades de transporte eletrônico em multicamadas dependam do tipo de empilhamento das folhas de grafeno. Embora tenha se mostrado recentemente que é possível converter um estaqueamento de folhas de grafeno em outro através de uma translação horizontal, os mecanismos envolvidos na transição entre uma estrutura e outra ainda são debatidos. O objetivo deste estudo é calcular possíveis caminhos de translação de folhas de grafeno e as respectivas barreiras de energia associadas a estes processos em multicamadas de grafeno com diferentes tipos de estaqueamento. Os caminhos de menor energia foram obtidos por meio de metodologia de primeiros princípios baseada no método "Climbing Image Nudged Elastic Band – CI-NEB" e na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Mostrou-se a importância da adição, ainda que empírica, de forças van der Waals aos funcionais de troca e correlação tradicionais para a correta descrição das propriedades da grafite e das multicamadas. Para as translações que levam à conversão de um estaqueamento em outro, os resultados aqui discutidos permitem concluir que a geometria das configurações intermediárias são tais que não envolvem sobreposição de monocamadas subjacentes. Notavelmente, concluiu-se que as alturas da barreira de energia são essencialmente independentes das espessuras das multicamadas estudadas.