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Tipo de Documento: Tese
Título: Polimorfismo cristalino e estrutura eletrônica de ortofosfatos sob alta pressão e alta temperatura: um estudo de primeiros princípios
Autor(es): Pirôpo, Gilvan de Jesus
Data do documento: 26-Fev-2026
Orientador: Lalic, Milan
Resumo: Esta tese abrange dois temas envolvendo uma classe de materiais denominada ortofosfatos, de grande interesse científico e tecnológico: (1) o estudo das propriedades estruturais e eletrônicas dos compostos APO4 (A = Sc, Lu, Y) sob pressão hidrostática de até 100 GPa, e (2) a investigação das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas do LiBaPO4 em suas quatro fases cristalinas observadas experimentalmente até a temperatura de 1373 K. Todos os estudos foram realizados por meio de cálculos ab initio baseados na teoria do funcional da densidade. No primeiro tema, os resultados confirmam a sequência de transições de fase induzidas por pressão observada experimentalmente: zircon > scheelite para ScPO4 (com uma transição scheelite → monazite prevista a 94 GPa), zircon > monazite > scheelite para YPO4, e zircon > scheelite para LuPO4. As pressões críticas calculadas, os colapsos de volume associados às transições e os módulos de compressibilidade de cada fase cristalina apresentam boa concordância com dados experimentais disponíveis. Verificou-se que, na fase zircon, dois conjuntos distintos de ligações A–O no dodecaedro AO8 exibem compressibilidades significativamente diferentes. Esse comportamento foi explicado e relacionado a um aumento incomum do volume do poliedro AO8 nas pressões críticas que desencadeiam a transição zircon > scheelite. Na fase scheelite, por sua vez, ambos os conjuntos de ligações A–O apresentam compressibilidades aproximadamente iguais. Apesar das transições estruturais induzidas por pressão, todos os compostos exibem notável estabilidade eletrônica, com características de bandas consistentes, dominadas por estados O 2p na banda de valência e estados A d na banda de condução. O band gap aumenta com a pressão dentro de cada fase cristalina, mas diminui abruptamente nas pressões críticas, em decorrência da expansão do conjunto mais compressível de ligações A–O. Esses resultados evidenciam a elevada resistência mecânica à compressão e a estabilidade eletrônica dos ortofosfatos, reforçando seu potencial para aplicações sob condições extremas. No segundo tema, foram investigadas quatro fases cristalinas do LiBaPO4 propostas experimentalmente: Cc, P31c, P63 e Pmcn. Uma descrição aprimorada da estrutura eletrônica das fases de baixa temperatura Cc e P31c revelou band gaps largos e semelhantes (≈ 7,6 eV) em ambas as fases, em contraste com relatos anteriores. Esse comportamento é consistente com os comprimentos similares das ligações Ba–O, que desempenham papel determinante na largura do band gap. Para as fases de alta temperatura, foram determinadas as posições atômicas das estruturas P63 e Pmcn. No entanto, devido a dificuldades de convergência e inconsistências estruturais associadas à fase Pmcn, propõe-se que o grupo espacial correto seja Pnma, o qual apresenta melhor concordância com os parâmetros de rede experimentais. A análise dos comprimentos de ligação, números de coordenação e valores de band gap sustenta uma sequência de transições de fase do tipo deslocativo (displacive) entre as fases Cc, P31c e P63, uma vez que compartilham ambientes atômicos locais e estruturas eletrônicas semelhantes. Em contraste, a transição de P63 para Pnma é caracterizada como reconstrutiva, evidenciada pela mudança na coordenação do Li, por alterações significativas nos comprimentos das ligações Ba–O e por uma leve redução do band gap. Adicionalmente, foram calculados os espectros de absorção óptica e refletividade para todas as quatro fases, os quais podem servir como referência teórica para futuras investigações experimentais.
Abstract: This thesis addresses two research topics involving a class of materials known as orthophosphates, which are of significant scientific and technological interest: (1) the investigation of the structural and electronic properties of APO4 compounds (A = Sc, Lu, Y) under hydrostatic pressure up to 100 GPa, and (2) the study of the structural, electronic, and optical properties of LiBaPO4 across its four experimentally observed crystalline phases up to a temperature of 1373 K. All investigations were carried out using ab initio calculations based on density functional theory. In the first topic, the results confirm the sequence of pressure-induced phase transitions observed experimentally: zircon > scheelite for ScPO4 (with a scheelite > monazite transition predicted at 94 GPa), zircon > monazite > scheelite for YPO4, and zircon > scheelite for LuPO4. The calculated critical pressures, pressure-induced volume collapses, and bulk moduli for each crystalline phase are in good agreement with available experimental data. It was found that, in the zircon phase, two distinct sets of A–O bonds within the AO8 dodecahedron exhibit significantly different compressibilities. This behavior was explained and correlated with an unusual increase in the AO8 polyhedral volume at the critical pressures triggering the zircon > scheelite phase transition. In the scheelite phase, both sets of A–O bonds display approximately equal compressibilities. Despite undergoing pressure-induced structural phase transitions, all compounds exhibit remarkable electronic stability, with consistent band characteristics dominated by O 2p states in the valence band and A d states in the conduction band. The band gap increases with pressure within each crystalline phase but decreases abruptly at the critical pressures due to the expansion of the more compressible set of A–O bonds. These findings highlight the exceptional mechanical resistance to compression and electronic stability of orthophosphates, supporting their potential for applications under extreme conditions. In the second topic, four crystalline phases of LiBaPO4 proposed experimentally were investigated: Cc, P31c, P63, and Pmcn. An improved description of the electronic structure of the low-temperature Cc and P31c phases revealed wide and nearly identical band gaps (≈ 7.6 eV) for both phases, in contrast to previous reports. This result is consistent with the similar Ba–O bond lengths, which play a key role in determining the band-gap width. For the high-temperature phases, the atomic positions of the P63 and Pmcn structures were determined. However, due to convergence issues and structural inconsistencies associated with the Pmcn phase, it is proposed that the correct space group is Pnma, which yields better agreement with experimental lattice parameters. Analysis of bond lengths, coordination numbers, and band-gap values supports a sequence of displacive phase transitions among the Cc, P31c, and P63 phases, as these structures share similar local atomic environments and electronic structures. In contrast, the transition from P63 to Pnma is characterized as reconstructive, evidenced by a change in Li coordination, significant modifications in Ba–O bond lengths, and a slight reduction in the band gap. In addition, optical absorption and reflectivity spectra were calculated for all four phases, providing theoretical guidance for future experimental investigations.
Palavras-chave: Ortofosfatos
Transições de fase
Estrutura eletrônica
Cálculos DFT
Propriedades ópticas
Polimorfismo cristalino
Pressão hidrostática
Orthophosphates
Phase transitions
Electronic structure
DFT calculations
Optical properties
Crystal polymorphism
Hydrostatic pressure
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: PIRÔPO, Gilvan de Jesus. Polimorfismo cristalino e estrutura eletrônica de ortofosfatos sob alta pressão e alta temperatura: um estudo de primeiros princípios. 2026. 124 f. Tese (Doutorado em Física) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2026.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/25436
Aparece nas coleções:Doutorado em Física

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