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AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA ELETRÔNICA DA FASE MONOCLINICA DO ÓXIDO DE NIÓBIO COM BASE NO USO DE DIFERENTES FUNCIONAIS DE DENSIDADE

Resumo

ASSESSMENT OF THE ELECTRONIC STRUCTURE OF THE MONOCLINIC PHASE OF NIOBIUM OXIDE BASED ON THE USE OF DIFFERENT DENSITY FUNCTIONALS. Niobium oxides, Nb2O5, are considered semiconductor materials with very attractive physical and chemical properties for applications in many areas, such as catalysis, sensors, medical, aerospace, etc. Especially, the characterization of Nb2O5-based nanostructures with monoclinic structure has received much attention in recent years. However, despite the great importance of this system, some of its fundamentals properties are still not fully understood. Hence, this work aims to apply the theoretical methodologies through Density Functional Theory (DFT) calculations in periodic models based on the use of different density functionals (like B1WC, B3PW, B3LYP, PBE0, PBESOL0, SOGGAXC, and WC1LYP) to investigate the physical and chemical properties of the monoclinic structure of Nb2O5. The band structures, energy bandgap, density of state, and vibrational properties, as well as order-disorder effects on the monoclinic structure of Nb2O5 are investigated in this study. Our theoretical results show a better agreement with experimental data for the B3LYP functional and hence lead to new perspectives on the deeper physicochemical understanding of the monoclinic Nb2O5. From these computational tools, it is possible to unravel the relations between structure and properties, which may contribute to the future development of new devices and applications based on these materials.

Keywords:
Nb2O5; monoclinic; DFT; exchange-correlation; electronic structure


INTRODUÇÃO

Nas últimas décadas, os nanomateriais a base do óxido de nióbio ganharam ênfase devido às suas promissoras aplicações industriais.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.

2 Lima, J. M. G. de; Relatório Técnico 20 - Perfil da Mineração do Nióbio; 2010.

3 Silberglitt, R.; Bartis, J.; Chow, B.; An, D.; Brady, K.; Critical Materials - Present Danger to US Manufacturing; 2013.
-44 Brasil; Ministério de Minas e Energia; Departamento Nacional de Produção Mineral; DNPM. Nióbio; Brasília, 2009. Sendo o Brasil o maior depositário de reservas de nióbio (com aproximadamente 98% do total mundial),22 Lima, J. M. G. de; Relatório Técnico 20 - Perfil da Mineração do Nióbio; 2010. o Ministério de Minas e Energia tem fortemente recomendado a ampliação, bem como a disseminação da pesquisa científica e tecnológica, para explorar o desenvolvimento de novos materiais e produtos multifuncionais a base desse elemento estratégico.44 Brasil; Ministério de Minas e Energia; Departamento Nacional de Produção Mineral; DNPM. Nióbio; Brasília, 2009. Diversos materiais baseados no nióbio - em suas diferentes formas e composições - têm sido aplicados com grande sucesso em diversos setores, como por exemplo, em equipamentos médicos e ópticos, na indústria aeroespacial, em dispositivos fotovoltaicos, catalisadores, sensores e em outras tecnologias avançadas.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.,22 Lima, J. M. G. de; Relatório Técnico 20 - Perfil da Mineração do Nióbio; 2010.,55 Nowak, I.; Ziolek, M.; Chem. Rev. 1999, 99, 3603.

6 Dinu, M.; Braic, L.; Padmanabhan, S. C.; Morris, M. A.; Titorencu, I.; Pruna, V.; Parau, A.; Romanchikova, N.; Petrik, L. F.; Vladescu, A.; J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020, 103, 103582.

7 Yang, M.; Zhao, X.; Zheng, S.; Liu, X.; Jin, B.; Li, H.; Gan, Y.; J. Electroanal. Chem. 2017, 791, 17.

8 Pereira-Maia, E. C.; Souza, I. P.; Nunes, K. J. R. C.; Castro, A. A.; Ramalho, T. C.; Steffler, F.; Duarte, H. A.; Pacheli, A.; Chagas, P.; Oliveira, L. C. A.; RSC Adv. 2018, 8, 10310.
-99 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; Ou, J. Z.; Field, M. R.; Austin, M.; Kalantar-zadeh, K.; Sens. Actuators, B 2013, 176, 149. Entretanto, apesar da sua grande relevância tecnológica, quando comparado aos outros metais de transição, a química do nióbio (Nb) ainda está em sua plena infância.1010 Bruziquesi, C.; Balena, J.; Pereira, M.; Silva, A.; Oliveira, L.; Quim. Nova 2019, 42, 1184.

Deve-se notar que os óxidos de nióbio podem existir em diferentes estequiometrias, tais como o monóxido de nióbio (NbO), dióxido de nióbio (NbO2) e, como foco principal, o pentóxido de nióbio (Nb2O5).11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106. Particularmente, o NbO é um sólido de coloração cinza que se cristaliza em uma típica estrutura cúbica e possui excelentes propriedades de condução elétrica.1111 Li, J.; Liu, W.-W.; Zhou, H.-M.; Liu, Z.-Z.; Chen, B.-R.; Sun, W.-J.; Rare Met. 2018, 37, 118.,1212 Nico, C.; Monteiro, T.; Graça, M. P. F.; Prog. Mater. Sci. 2016, 80, 1. Por outro lado, o NbO2 é um sólido azul escuro, insolúvel em água, pode apresentar comportamento diamagnético e também é considerado como um forte agente redutor.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106. Recentemente, nanopartículas de NbO2 foram aplicadas em baterias de íon de lítio.1313 Asfaw, H. D.; Tai, C.-W.; Nyholm, L.; Edström, K.; ChemNanoMat 2017, 3, 646.,1414 Ji, Q.; Gao, X.; Zhang, Q.; Jin, L.; Wang, D.; Xia, Y.; Yin, S.; Xia, S.; Hohn, N.; Zuo, X.; Wang, X.; Xie, S.; Xu, Z.; Ma, L.; Chen, L.; Chen, G. Z.; Zhu, J.; Hu, B.; Müller‐Buschbaum, P.; Bruce, P. G.; Cheng, Y.; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904961. Do ponto de vista estrutural, o NbO2 tem sido obtido em diferentes estruturas cristalinas: rutilo (P42/mnm), ortorrômbica (Pbca), tetragonal (I4_1), triclínica (P1) e monoclínica (C2/m).1212 Nico, C.; Monteiro, T.; Graça, M. P. F.; Prog. Mater. Sci. 2016, 80, 1.,1515 Jacob, K. T.; Shekhar, C.; Vinay, M.; Waseda, Y.; J. Chem. Eng. Data 2010, 55, 4854.,1616 Jain, A.; Ong, S. P.; Hautier, G.; Chen, W.; Richards, W. D.; Dacek, S.; Cholia, S.; Gunter, D.; Skinner, D.; Ceder, G.; Persson, K. A.; APL Mater. 2013, 1, 011002. Esse material exibe um bandgap indireto de aproximadamente 0,7 eV e a natureza da sua transição metal-isolante tem sido investigada, sendo geralmente atribuída a uma transição estrutural do tipo Peierls de segunda ordem.1717 O’Hara, A.; Demkov, A. A.; Phys. Rev. B 2015, 91, 094305.,1818 Weibin, Z.; Weidong, W.; Xueming, W.; Xinlu, C.; Dawei, Y.; Changle, S.; Liping, P.; Yuying, W.; Li, B.; Surf. Interface Anal. 2013, 45, 1206. No entanto, é preciso atentar que suas propriedades físicas e químicas ainda não são completamente conhecidas.

Têm sido reportado na literatura que o Nb2O5, um material semicondutor de bandgap largo (do tipo “n”), devido a sua grande energia de bandgap entre 3,1 e 5,3 eV.1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683. Em particular, esse material é facilmente acessível e apresenta uma grande estabilidade química, além de ser tipicamente um sólido branco insolúvel em água.1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683.,2020 Ko, E. I.; Weissman, J. G.; Catal. Today 1990, 8, 27. Geralmente, possui uma estrutura cristalina formada de clusters octaédricos de [NbO6], podendo ser distorcidos em diferentes graus e assim demonstrando outros sistemas cristalinos a curto e longo alcance, dependendo das condições de preparo e processamento.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.,1212 Nico, C.; Monteiro, T.; Graça, M. P. F.; Prog. Mater. Sci. 2016, 80, 1.,2020 Ko, E. I.; Weissman, J. G.; Catal. Today 1990, 8, 27. Em algumas fases, é possível encontrar diferentes estruturas de coordenação, tais como a heptacoordenada [NbO7] e octacoordenada [NbO8].11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.,1212 Nico, C.; Monteiro, T.; Graça, M. P. F.; Prog. Mater. Sci. 2016, 80, 1. Ainda assim, entre os diversos estudos sobre as estruturas polimórficas do Nb2O5, as três fases cristalográficas mais estudadas são: pseudohexagonal, ortorrômbica e monoclínica (Figura 1).2121 Dash, J. K.; Chen, L.; Topka, M. R.; Dinolfo, P. H.; Zhang, L. H.; Kisslinger, K.; Lu, T.-M.; Wang, G.-C.; RSC Adv. 2015, 5, 36129.,2222 Zhao, Y.; Zhou, X.; Ye, L.; Chi Edman Tsang, S.; Nano Rev. 2012, 3, 17631. Em condições ambientes, a fase monoclínica é a estrutura mais estável termodinamicamente, enquanto a fase pseudohexagonal é a menos estável.2222 Zhao, Y.; Zhou, X.; Ye, L.; Chi Edman Tsang, S.; Nano Rev. 2012, 3, 17631. Têm sido reportado também que o Nb2O5 apresenta uma estrutura ortorrômbica a aproximadamente 500 °C e, quando aquecido entre 700 a 800 °C, é transformado em uma estrutura pseudohexagonal,2222 Zhao, Y.; Zhou, X.; Ye, L.; Chi Edman Tsang, S.; Nano Rev. 2012, 3, 17631.

23 Rezende, C. C.; Neto, J. L.; Silva, A. C.; Lima, V. M.; Pereira, M. C.; Oliveira, L. C. A.; Catal. Commun. 2012, 26, 209.
-2424 Lopes, I. S.; Dissertação de Mestrado, Universidade Federal Fluminense, Brasil, 2003. enquanto que o aquecimento em temperaturas mais elevadas e na presença de agentes redutores (como o carbono) é responsável pela conversão total ou parcial do Nb2O5 em NbO2.2525 Kong, L.; Zhang, C.; Wang, J.; Qiao, W.; Ling, L.; Long, D.; Sci. Rep. 2016, 6, 21177. Contudo, é importante observar que essas temperaturas de transições cristalográficas ocorrem lentamente e são irreversíveis.2424 Lopes, I. S.; Dissertação de Mestrado, Universidade Federal Fluminense, Brasil, 2003.

Figura 1
Estruturas polimórficas do Nb2O5 (a) monoclínica, (b) ortorrômbica e (c) pseudohexagonal

Além de receber grande destaque no Brasil, o Nb2O5 mostra características que o tornam um material muito atrativo para diversas aplicações de alta performance. Isso é devido a sua boa estabilidade e resistência química em meio ácido e/ou básico.2626 Avellaneda, C. O.; Aegerter, M. A.; Pawlicka, A.; Quim. Nova 1998, 21, 365. Entre suas diversas aplicações potenciais, pode-se destacar a fotocatálise heterogênea, utilizado tanto como fotocatalisador quanto adicionado a outros catalisadores; e na degradação de efluentes têxteis, corantes e fenol, em virtude da sua eficiência fotoativa.55 Nowak, I.; Ziolek, M.; Chem. Rev. 1999, 99, 3603.,1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683.,2222 Zhao, Y.; Zhou, X.; Ye, L.; Chi Edman Tsang, S.; Nano Rev. 2012, 3, 17631.,2727 Santos, A. P. F.; Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Mato Grosso do Sul, Brasil, 2012.

28 Santana, V. S.; Machado, N. R. C. F.; Acta Sci. Technol. 2006, 28.
-2929 Raba, A. M.; Bautista-Ruíz, J.; Joya, M. R.; Mater. Res. 2016, 19, 1381. É aplicado também no desenvolvimento de baterias, células solares, diodos emissores de luz, ligas de aço (com função de atribuir melhores propriedades, principalmente em aços de alta resistência), automóveis e em superligas empregadas em turbinas de aeronaves, além de várias outras utilizações.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.,1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683.,2929 Raba, A. M.; Bautista-Ruíz, J.; Joya, M. R.; Mater. Res. 2016, 19, 1381.,3030 He, J.; Hu, Y.; Wang, Z.; Lu, W.; Yang, S.; Wu, G.; Wang, Y.; Wang, S.; Gu, H.; Wang, J.; J. Mater. Chem. C 2014, 2, 8185. No entanto, esse material avançado pode apresentar propriedades novas e interessantes quando utilizado na sua forma nanométrica.11 Lopes, O. F.; De Mendonça, V. R.; Silva, F. B. F.; Paris, E. C.; Ribeiro, C.; Quim. Nova 2015, 38, 106.,3131 Silva, F. O.; Viol, L. C. de S.; Ferreira, D. L.; Alves, J. L. A.; Schiavon, M. A.; Quim. Nova 2010, 33, 1933.

É certo que houve um grande avanço sobre o conhecimento das aplicações de nanomateriais e de algumas das suas propriedades fundamentais.1212 Nico, C.; Monteiro, T.; Graça, M. P. F.; Prog. Mater. Sci. 2016, 80, 1.,1515 Jacob, K. T.; Shekhar, C.; Vinay, M.; Waseda, Y.; J. Chem. Eng. Data 2010, 55, 4854. Porém, ainda é necessário de um maior entendimento a respeito de suas estruturas nanométricas, com o intuito de pavimentar o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas nesses materiais. Nesse cenário, as ferramentas computacionais vem tendo um enorme destaque no design de novos materiais avançados, tornando-se uma prática de pesquisa padrão no mundo inteiro.3232 Recent Advances in Complex Functional Materials; Longo, E., La Porta, F. de A., eds.; Springer International Publishing: Cham, 2017.,3333 Emerging Research in Science and Engineering Based on Advanced Experimental and Computational Strategies; La Porta, F. de A., Taft, C. A., eds.; Engineering Materials; Springer International Publishing: Cham, 2020. Sendo assim, diversas metodologias teóricas baseadas principalmente no formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) vêm sendo desenvolvidas para acelerar o processo de descoberta e desenvolvimento da próxima geração de materiais avançados.3434 Hohenberg, P.; Kohn, W.; Phys. Rev. 1964, 136, B864.,3535 Kohn, W.; Sham, L. J.; Phys. Rev. 1965, 140, A1133. Na prática, os cálculos de DFT envolvem o uso de aproximações amplamente conhecidas como “funcionais da densidade” para determinar, as propriedades e a energia de um sistema químico de interesse (considerando as contribuições de troca e correlação nesse tipo de cálculo).3232 Recent Advances in Complex Functional Materials; Longo, E., La Porta, F. de A., eds.; Springer International Publishing: Cham, 2017.,3333 Emerging Research in Science and Engineering Based on Advanced Experimental and Computational Strategies; La Porta, F. de A., Taft, C. A., eds.; Engineering Materials; Springer International Publishing: Cham, 2020.,3636 Neugebauer, J.; Hickel, T.; Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2013, 3, 438.

37 Mardirossian, N.; Head-Gordon, M.; Mol. Phys. 2017, 115, 2315.

38 Capelle, K.; Braz. J. Phys. 2006, 36, 1318.
-3939 Alberi, K.; Nardelli, M. B.; Zakutayev, A.; Mitas, L.; Curtarolo, S.; Jain, A.; Fornari, M.; Marzari, N.; Takeuchi, I.; Green, M. L.; Kanatzidis, M.; Toney, M. F.; Butenko, S.; Meredig, B.; Lany, S.; Kattner, U.; Davydov, A.; Toberer, E. S.; Stevanovic, V.; Walsh, A.; Park, N.-G.; Aspuru-Guzik, A.; Tabor, D. P.; Nelson, J.; Murphy, J.; Setlur, A.; Gregoire, J.; Li, H.; Xiao, R.; Ludwig, A.; Martin, L. W.; Rappe, A. M.; Wei, S.-H.; Perkins, J.; J. Phys. D. Appl. Phys. 2019, 52, 013001.

Portanto, o objetivo principal deste trabalho consiste em utilizar diversas metodologias teóricas baseadas em cálculos DFT - em condições periódicas - para o estudo da estrutura eletrônica e das propriedades físicas e químicas da fase monoclínica do Nb2O5. Com isso, por meio dos estudos de estruturas de bandas, do bandgap de energia e da densidade de estados (DOS), é possível desvendar as relações entre composição, estrutura, tamanho, morfologia e suas propriedades, de forma a contribuir para o desenvolvimento de novos materiais e dispositivos baseados no Nb2O5.

METODOLOGIA

No presente trabalho, os cálculos DFT foram realizados em condições periódicas utilizando do programa CRYSTAL 14.4040 Dovesi, R.; Orlando, R.; Civalleri, B.; Roetti, C.; Saunders, V. R.; Zicovich-Wilson, C. M.; Z. Kristallogr. - Cryst. Mater. 2005, 220. As funções de base foram escolhidas de acordo com as disponíveis na base de dados do software, sendo a TZVP 2018 para o Nb e a TZVP_2012 para o oxigênio.4141 Laun, J.; Vilela Oliveira, D.; Bredow, T.; J. Comput. Chem. 2018, 39, 1285.,4242 Peintinger, M. F.; Oliveira, D. V.; Bredow, T.; J. Comput. Chem. 2013, 34, 451. Os cálculos foram desenvolvidos a partir dos parâmetros de rede e de posições atômicas propostas na ficha ICSD 51176.4343 Zibrov, I. P.; Filonenko, V. P.; Werner, P.-E.; Marinder, B.-O.; Sundberg, M.; J. Solid State Chem. 1998, 141, 205.

Baseado no trabalho de Duarte et al.,4444 Duarte, T. M.; Buzolin, P. G. C.; Santos, I. M. G.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; Theor. Chem. Acc. 2016, 135, 151. foi avaliado o desempenho de sete funcionais híbridos (B1WC, B3PW, B3LYP, PBE0, PBESOL0, SOGGAXC e WC1LYP) para os modelos de bulk ordenados e desordenados da estrutura monoclínica do Nb2O5. Os resultados obtidos foram comparados com outros estudos teóricos e experimentais encontrados na literatura, a fim de decidir o melhor funcional para descrever o sistema em questão. Embora as metodologias que englobam a DFT sejam conhecidas por apresentar boa robustez e correlação com os resultados experimentais,3232 Recent Advances in Complex Functional Materials; Longo, E., La Porta, F. de A., eds.; Springer International Publishing: Cham, 2017.,3333 Emerging Research in Science and Engineering Based on Advanced Experimental and Computational Strategies; La Porta, F. de A., Taft, C. A., eds.; Engineering Materials; Springer International Publishing: Cham, 2020. é reconhecido que tais métodos não levam em consideração os efeitos dispersivos (ou seja, interações de longo alcance de van der Waals).4545 Grimme, S.; Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211.

46 Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H.; J. Chem. Phys. 2010, 132.

47 Grimme, S.; J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108.
-4848 Grimme, S.; J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787. Sendo assim, o uso de correções de dispersão para o método DFT foi inicialmente proposto por Grimme.4545 Grimme, S.; Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211.

46 Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H.; J. Chem. Phys. 2010, 132.

47 Grimme, S.; J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108.
-4848 Grimme, S.; J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787. Mais especificamente, neste modelo a energia de dispersão pode ser simplesmente adicionada a energia de correlação-troca da DFT de acordo com a equação 1:

(1)Edisp DFT-D=-ABn=6,8,10snCnABRABnfdamp (RAB)

Em que a soma é sobre todos os pares de elétrons do sistema de estudo, CnAB o coeficiente de dispersão médio isotrópico de ordem n (n = 6,8,10...) para o par de átomos AB, RnAB a distância entre núcleos, sn o fator de escala para ajustar o efeito repulsivo do funcional de densidade (uma vez que o nível B3LYP é conhecido por apresentar potenciais de interação puramente repulsivas para complexos fracamente ligados) e fdamp como funções de amortecimento para evitar singularidades e contagem dupla dos efeitos de correlação para distâncias interatômicas baixas.4545 Grimme, S.; Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211.

46 Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H.; J. Chem. Phys. 2010, 132.

47 Grimme, S.; J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108.

48 Grimme, S.; J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787.

49 Albuquerque, A. R.; Garzim, M. L.; Santos, I. M. G. dos; Longo, V.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; J. Phys. Chem. A 2012, 116, 11731.
-5050 Albuquerque, A. dos R.; Estudo Químico-Quântico do Óxido Ti(1-x)CexO2-δ na Fase Anatase, Universidade Federal da Paraíba, 2014. Assim, neste estudo foram otimizados os parâmetros de rede e coordenadas atômicas para o raio de van der Waals do Nb (RvdW,Nb), variando em ± 25% os raios padrões propostos por Grimme, sendo RvdW,Nb = 1,639 Å.4747 Grimme, S.; J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108. Essa estratégia computacional, por sua vez, foi usada anteriormente pelo nosso grupo com grande sucesso no estudo de outros óxidos.5050 Albuquerque, A. dos R.; Estudo Químico-Quântico do Óxido Ti(1-x)CexO2-δ na Fase Anatase, Universidade Federal da Paraíba, 2014. A importância da descrição da influência do RvdW,Nb é devido a característica de expressar com maior exatidão as propriedades do Nb2O5. Contudo, este parâmetro depende fortemente do ambiente químico e do tipo de estrutura cristalina.4949 Albuquerque, A. R.; Garzim, M. L.; Santos, I. M. G. dos; Longo, V.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; J. Phys. Chem. A 2012, 116, 11731.,5050 Albuquerque, A. dos R.; Estudo Químico-Quântico do Óxido Ti(1-x)CexO2-δ na Fase Anatase, Universidade Federal da Paraíba, 2014. Portanto, em razão de sua grande relevância tecnológica, neste trabalho foi determinado o melhor valor de RvdW,Nb para estrutura monoclínica do Nb2O5.

Ainda em questão ao polimorfo monoclínico, com intuito de descrever melhor a distorção do cluster ocasionada por efeitos estruturais no cristal, foram calculadas as distâncias médias de átomos de Nb e oxigênio ao centro do cluster, com o deslocamento do átomo de Nb em 0,3 Å, na direção z. Esses modelos podem ser úteis ao representar diferentes graus de ordem-desordem estrutural, possibilitando o maior entendimento químico de suas principais propriedades eletrônicas e espectroscopicas.5151 La Porta, F. A.; Andrés, J.; Vismara, M. V. G.; Graeff, C. F. O.; Sambrano, J. R.; Li, M. S.; Varela, J. A.; Longo, E.; J. Mater. Chem. C 2014, 2, 10164. Por fim, a estrutura eletrônica do Nb2O5 foi analisada e visualizada no programa gráfico XcrysDen.5252 Kokalj, A.; J. Mol. Graph. Model. 1999, 17, 176.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Uma decisão importante no desenvolvimento de um trabalho teórico com cálculos de DFT é a escolha do funcional a ser utilizado. Um funcional desejável deve atingir resultados satisfatório de exatidão que possibilitem descrever de maneira mais próxima possível à estrutura de um sistema e suas principais propriedades. Inúmeros trabalhos com essas finalidades são encontrados na literatura, ocasionalmente indicando o melhor funcional para um determinado sistema de interesse.4444 Duarte, T. M.; Buzolin, P. G. C.; Santos, I. M. G.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; Theor. Chem. Acc. 2016, 135, 151.,5353 Heifets, E.; Eglitis, R. I.; Kotomin, E. A.; Maier, J.; Borstel, G.; Surf. Sci. 2002, 513, 211.

54 Maul, J.; Santos, I. M. G.; Sambrano, J. R.; Erba, A.; Theor. Chem. Acc. 2016, 135, 1.
-5555 Oliveira, L. H.; Ramírez, M. A.; Ponce, M. A.; Ramajo, L. A.; Albuquerque, A. R.; Sambrano, J. R.; Longo, E.; Castro, M. S.; La Porta, F. A.; Mater. Res. Bull. 2017, 93, 47. A importância dessa prática se deve ao fato de alguns funcionais descreverem melhor as estruturas, mas não os parâmetros eletrônicos (tais como o bandgap), citando, por exemplo, os funcionais GGA e LDA. Em contrapartida, outros se comportam da forma inversa ao descreverem adequadamente o bandgap, enquanto superestimam os parâmetros de rede.4444 Duarte, T. M.; Buzolin, P. G. C.; Santos, I. M. G.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; Theor. Chem. Acc. 2016, 135, 151.,5656 Mazini, M. C.; Sambrano, J. R.; Cavalheiro, A. A.; Leite, D. M. G.; da Silva, J. H. D.; Quim. Nova 2010, 33, 834. Assim, nenhum funcional é capaz de simular com exatidão todos os detalhes e propriedades de um sistema alvo, sejam em termos estruturais, eletrônicos ou vibracionais, por exemplo.

Zibrov et al.4343 Zibrov, I. P.; Filonenko, V. P.; Werner, P.-E.; Marinder, B.-O.; Sundberg, M.; J. Solid State Chem. 1998, 141, 205. reportaram os parâmetros de rede experimentais para a fase monoclínica do Nb2O5 (a = 5,2195 Å, b = 4,6995 Å e c = 5,9285 Å). Esses parâmetros estruturais foram comparados com nossos resultados obtidos e outros trabalhos teóricos encontrados na literatura, sendo descritos na Tabela 1. Deve-se enfatizar que a estrutura monoclínica é a única que apresenta coordenação [NbO7] entre todas reportadas. Portanto, essa característica peculiar pode ser considerada como uma das motivações para o desenvolvimento do presente estudo.

Tabela 1
Valores dos parâmetros estruturais da estrutura monoclínica e volumes das células calculadas com os diferentes funcionais
Figura 2
Comparação entre os valores de (a) volume e (b) energia de bandgap calculados utilizando de diferentes funcionais para a estrutura monoclínica do Nb2O5

A Tabela 1 descreve os parâmetros de rede (a, b e c); os valores do ângulo (β) e o volume da célula (V) calculados para a estrutura monoclínica do Nb2O5. Uma análise desses resultados revela que os valores dos parâmetros experimentais a e b foram superestimados para todos os funcionais estudados, com exceção do SOGGAXC, tendo um valor 0,0738 Å menor em comparação ao parâmetro b experimental. Entretanto, os parâmetros c foram subestimados para todos os funcionais, demonstrando valores menores que variam de 0,1352 Å (B3LYP) a 0,2125 Å (PBESOL0) em relação ao experimental. Também foi observado que para todos os funcionais o valor de β estava acima de 90º de acordo com a estrutura monoclínica; superestimando o resultado experimental com acréscimos variando de 5,55º (SOGGAXC) a 8,37º (B3LYP). Já a diferença do volume da célula foi o fator de maior distinção entre os dados experimentais e os calculados por meio de diferentes funcionais, sendo superestimados e alternando de 2,60 ų (SOGGAXC) a 20,42 ų (B3PW), como ilustrado na Figura 2 (a).

De maneira geral, o volume da célula unitária é influenciado diretamente pela presença de defeitos.5757 Berger, D.; de Moura, A. P.; Oliveira, L. H.; Bastos, W. B.; La Porta, F. A.; Rosa, I. L. V.; Li, M. S.; Tebcherani, S. M.; Longo, E.; Varela, J. A.; Ceram. Int. 2016, 42, 13555. Quando a estrutura da célula é otimizada, o resultado é um sistema perfeito, portanto, o volume simulado tende a ser geralmente maior que o de uma célula unitária real. Essa tendência está em bom acordo com nossos resultados. Com isso, o funcional que estimou as propriedades estruturais da célula unitária de Nb2O5 mais próximas da realidade foi o SOGGAXC, enquanto as mais distantes foi o B3PW.

No design de novos materiais avançados, um dos parâmetros mais críticos é a energia de bandgap (Egap).3232 Recent Advances in Complex Functional Materials; Longo, E., La Porta, F. de A., eds.; Springer International Publishing: Cham, 2017.,3333 Emerging Research in Science and Engineering Based on Advanced Experimental and Computational Strategies; La Porta, F. de A., Taft, C. A., eds.; Engineering Materials; Springer International Publishing: Cham, 2020. Na literatura, o bandgap reportado experimentalmente para a fase monoclínica é de 3,79 eV, padrão que será usado na comparação dos resultados e como base de análise na escolha do funcional ideal.1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683. Com a finalidade de facilitar a discussão a seguir, os resultados que serão apresentados foram organizados na Figura 2 (b). Complementando o estudo das propriedades eletrônicas do sistema, na Figura 3 estão ilustradas as estruturas de bandas simuladas para os diferentes funcionais utilizados neste trabalho. O caminho de simetria da zona de Brillouin para a célula monoclínica primitiva foi definido por G-Y-Z-T-S-R.5858 Bradley, C. J.; Cracknell, A. P.; The Mathematical Theory of Symmetry in Solids; Oxford University Press: Oxford, 1972. A análise dos resultados de estrutura de bandas do Nb2O5 evidencia uma transição indireta para todos os casos investigados. Porém, ao checar a estrutura de bandas obtida pelo funcional SOGGAXC (Figura 3 (f)), é notado um bandgap estreito em comparação aos demais, também indireto (R-Y) e igual a 1,79 eV. Esse valor é muito abaixo do esperado para a estrutura monoclínica do Nb2O5.

Figura 3
Estruturas de bandas simuladas para o bulk com diferentes funcionais: a) B1WC, b) B3LYP, c) B3PW, d) PBE0, e) PBESOL0, f) SOGGAXC e g) WCLYP
Figura 4
Densidades de estados simuladas para o bulk do Nb2O5 por meio de diferentes funcionais: a) B1WC, b) B3LYP, c) B3PW, d) PBE0, e) PBESOL0, f) SOGGAXC e g) WC1LYP

Por meio do comportamento visto na estrutura de bandas, é possível afirmar que o funcional SOGGAXC não é o mais recomendado para o estudo das propriedades eletrônicas do Nb2O5. Assim, como o bandgap é o principal parâmetro no desenvolvimento de novos materiais, podemos observar que as simulações por meio do funcional B3LYP é a metodologia mais adequada no estudo das propriedades eletrônicas do sistema em questão.

A Figura 4 mostra as densidades de estados (DOS) para o modelo ordenado do Nb2O5. Como resultado, a análise do DOS revela que a banda de valência (BV) do sistema é constituída principalmente por orbitais 2p do oxigênio, enquanto que a banda de condução (BC) é majoritariamente formada por orbitais 4d do Nb. Esses dados são consistentes com estudos teórico-experimental prévios.1717 O’Hara, A.; Demkov, A. A.; Phys. Rev. B 2015, 91, 094305. No entanto, está evidente que o perfil do DOS é ligeiramente diferente para todos os casos analisados, devido ao fato das estruturas otimizadas apresentarem diferentes parâmetros estruturais, como apresentados na Tabela 1.

Após a escolha do melhor funcional com base na análise das propriedades eletrônicas, foi simulado o espectro Raman para a estrutura monoclínica do Nb2O5. Na Figura 5 é apresentada a comparação entre as posições dos modos Raman ativos obtidos no espectro teórico com o funcional B3LYP e as posições experimentais. Experimentalmente, os modos Raman ativos da estrutura monoclínica do Nb2O5 são localizados em torno de 78, 127, 227, 307, 521, 642, 689 e 843 cm-1, e na faixa entre 500 a 1100 cm-1 são encontradas as bandas das vibrações do oxigênio.2929 Raba, A. M.; Bautista-Ruíz, J.; Joya, M. R.; Mater. Res. 2016, 19, 1381.,5959 Suresh, S.; Deepak, T. G.; Ni, C.; Sreekala, C. N. O.; Satyanarayana, M.; Nair, A. S.; Pillai, V. P. P. M.; New J. Chem. 2016, 40, 6228. Os picos presentes na região entre 400 a 800 cm-1 são atribuídos aos alongamentos simétricos e antissimétricos das ligações Nb-O-Nb.6060 Mickova, I.; Croat. Chem. Acta 2010, 83, 113. Utilizando do funcional B3LYP, foram alcançados resultados bastante coerentes com os dados experimentais desse polimorfo, com modos Raman ativos nas mesmas posições em ambos os espectros.

No entanto, sabemos que as propriedades fundamentais dos materiais semicondutores dependem fortemente de seus defeitos.3232 Recent Advances in Complex Functional Materials; Longo, E., La Porta, F. de A., eds.; Springer International Publishing: Cham, 2017. Por esse motivo, foram realizados cálculos da estrutura desordenada do Nb2O5, considerando um deslocamento dos átomos de Nb igual a 0,3 Å na direção z. Uma análise comparativa dos modelos ordenado e desordenado da estrutura monoclínica do Nb2O5 é apresentada na Figura 6. A energia de bandgap do bulk desordenado decai para 3,82 eV, mais próxima do valor experimental de 3,79 eV.1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683. Somando-se a isso, os mapas de densidade eletrônica para os modelos ordenado e desordenado do bulk são exibidos na Figura 7 (c,d) em diferentes perspectivas. Esses resultados reforçam a existência de dois ambientes de coordenação ([NbO6] e [NbO7]) para a fase monoclínica, podendo auxiliar no entendimento da estrutura local do Nb2O5 e sendo a origem das suas principais propriedades.

Por outro lado, é bem conhecido que as interações não-covalentes desempenham um importante papel no estudo das propriedades desses cristais. Diante dessa consideração, foram executados cálculos considerando os efeitos dispersivos, conforme descrito na metodologia. Para os cálculos de otimização adicionando a correção do parâmetro de Grimme, uma pequena variação no RvdW ocasiona em uma ligeira alteração nos parâmetros de rede e, por consequência, na energia total, no bandgap e em outras propriedades.4949 Albuquerque, A. R.; Garzim, M. L.; Santos, I. M. G. dos; Longo, V.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; J. Phys. Chem. A 2012, 116, 11731.,5050 Albuquerque, A. dos R.; Estudo Químico-Quântico do Óxido Ti(1-x)CexO2-δ na Fase Anatase, Universidade Federal da Paraíba, 2014. O RvdW do oxigênio já está consolidado e parametrizado para diferentes óxidos, com valor igual a 1,342 Å e C6 de 0,700.4747 Grimme, S.; J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108.,4949 Albuquerque, A. R.; Garzim, M. L.; Santos, I. M. G. dos; Longo, V.; Longo, E.; Sambrano, J. R.; J. Phys. Chem. A 2012, 116, 11731. Com isso, os parâmetros de rede otimizados em função da variação do RvdW,Nb são mostrados na Figura 7 (a).

Figura 5
Comparação entre as frequências vibracionais do espectro Raman experimental e teórico (B3LYP)
Figura 6
Densidades de estados simuladas por orbital para o bulk a) ordenado e b) desordenado. Mapas de densidade de carga para estrutura c) ordenada e d) desordenada (horizontal)
Figura 7
a) Parâmetros de rede em função da variação do raio de van der Waals para o Nb e b) densidade de estados simulada por orbital para o bulk monoclínico com parâmetro RvdW,Nb = 1,929

Em comparação com os parâmetros de rede obtidos experimentalmente (a = 5,2195 Å, b = 4,6995 Å e c = 5,9285 Å), é observado que o parâmetro a teórico difere significativamente do experimental para o intervalo de raios considerados, enquanto que o parâmetro b é mais coerente com o valor real à medida o RvdW,Nb aumenta.4343 Zibrov, I. P.; Filonenko, V. P.; Werner, P.-E.; Marinder, B.-O.; Sundberg, M.; J. Solid State Chem. 1998, 141, 205. O parâmetro c se aproxima do experimental, mesmo apresentando uma pequena diferença nos valores intermediários do RvdW,Nb. A diminuição do parâmetro c é acompanhada pelo aumento de a e b conforme a variação do RvdW,Nb, evidenciando um predomínio experimental de distorções na direção do parâmetro b e levando a um acréscimo das repulsões na direção de a e c. Na posição em que o parâmetro independente b é semelhante ao valor experimental, o RvdW,Nb é igual a 1,929 Å e os parâmetros internos otimizados são a = 5,7729 Å, b = 4,6961 Å e c = 6,1287 Å. Dessa forma, o parâmetro b é próximo ao experimental, variando em cerca de 0,0034 Å. Também é visto uma repulsão esperada para os parâmetros a e c, tendo alterações de, respectivamente, 0,5534 Å e 0,2002 Å. A Figura 7 (b) mostra os resultados obtidos para a DOS considerando o RvdW,Nb = 1,929 Å durante a otimização. De acordo os dados, podemos estimar que a energia de bandgap é igual a 3,76 eV, número mais consistente com o valor experimental.1919 Rani, R. A.; Zoolfakar, A. S.; O’Mullane, A. P.; Austin, M. W.; Kalantar-Zadeh, K.; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15683. Assim, a metodologia proposta para incluir o RvdW do Nb nos cálculos computacionais se demonstrou eficiente e em concordância com o valor reportado para a energia de bandgap, alcançando uma melhor descrição dos parâmetros eletrônicos do polimorfo monoclínico do Nb2O5.

CONCLUSÕES

Neste estudo, a performance dos funcionais B1WC, B3PW, B3LYP, PBE0, PBESOL0, SOGGAXC e WC1LYP foi avaliada com fins de investigar a estrutura eletrônica e as propriedades espectroscópicas da fase monoclínica do Nb2O5. De acordo com nossos resultados, o funcional B3LYP se demonstrou o mais recomendado para descrever esse sistema. A simulação da estrutura desordenada do Nb2O5 sugeriu que a diminuição no valor do bandgap é devido a formação de dois ambientes de coordenação ([NbO6] e [NbO7]), contribuindo para um melhor entendimento de seu comportamento químico. Além disso, neste estudo também foi otimizado o RvdW,Nb (1,929 Å) para a fase monoclínica do Nb2O5. Assim, podemos concluir que o uso de efeitos dispersivos contribui para uma boa descrição dos parâmetros estruturais e eletrônicos do Nb2O5, em consonância com os resultados experimentais. Finalmente, é esperado que o presente trabalho possa contribuir para os estudos teóricos posteriores baseados no formalismo da DFT e que tenham como foco o sistema Nb2O5.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem às agências de fomento brasileira (CNPq; CAPES; e FAPESP) e à UTFPR pelo apoio financeiro e pela bolsa concedida para realização deste trabalho.

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    08 Nov 2021
  • Data do Fascículo
    2021

Histórico

  • Recebido
    18 Jan 2021
  • Aceito
    03 Maio 2021
  • Publicado
    16 Jun 2021
Sociedade Brasileira de Química Secretaria Executiva, Av. Prof. Lineu Prestes, 748 - bloco 3 - Superior, 05508-000 São Paulo SP - Brazil, C.P. 26.037 - 05599-970, Tel.: +55 11 3032.2299, Fax: +55 11 3814.3602 - São Paulo - SP - Brazil
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