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Document Type: Tese
Title: Estudo teórico-computacional das propriedades estruturais, eletrônicas, de defeitos e ópticas do Na2MSiO4 (M2+ = Mg e Zn) puro e dopado com Európio
Authors: Silva, Carlos Henrique Prado
Issue Date: 23-Jul-2026
Advisor: Rezende, Marcos Vinícius dos Santos
Resumo : Os silicatos ortorrômbicos Na2MSiO4 (M = Mg e Zn) têm despertado interesse como matrizes hospedeiras para íons de terras raras devido à sua estabilidade estrutural e às suas potenciais aplicações em dispositivos optoeletrônicos, fósforos para iluminação de estado sólido, materiais dielétricos e sistemas de armazenamento de energia. Neste trabalho, empregou-se modelagem computacional clássica para investigar defeitos estruturais e os efeitos da dopagem com Eu3+ nessas matrizes. Os potenciais interatômicos parametrizados reproduziram satisfatoriamente os parâmetros estruturais experimentais, validando a metodologia adotada. As energias de solução de defeitos intrínsecos indicaram que vacâncias de sódio e defeitos de Frenkel são os mais favoráveis. Para defeitos extrínsecos, observou-se que o Eu3+ se incorpora preferencialmente no sítio do cátion divalente (Mg2+ ou Zn2+), com compensação de carga via defeitos antisítio NaM ′ . A análise do campo cristalino revelou que o Eu3+ ocupa um ambiente de simetria local C3 distorcida em ambas as matrizes, característica diretamente relacionada à intensidade das transições 5D0-7Fj e, portanto, ao desempenho luminescente. Além disso, verificou-se que a dopagem reduz os módulos elásticos e a temperatura de Debye, mas preserva a estabilidade térmica global, mantendo esses compostos adequados para aplicações optoeletrônicas. De forma complementar, cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foram utilizados para investigar as propriedades estruturais, eletrônicas, vibracionais e ópticas. Os resultados indicam caráter dielétrico, com intervalos de energia na região do visível-ultravioleta, associados principalmente a transições de estados entre orbitais O-2p na banda de valência, Na-2p e M-s,p, na banda de condução. As propriedades ópticas evidenciam ampla transparência no visível e resposta dielétrica moderada, compatível com materiais isolantes. Em conjunto, os resultados clássicos e ab initio contribuem para compreender os mecanismos de incorporação de Eu3+ e os efeitos estruturais, eletrônicos e ópticos da dopagem, reforçando o potencial do Na2MSiO4 como matriz promissora para aplicações em fósforos luminescentes, dispositivos optoeletrônicos e outras tecnologias baseadas em materiais dielétricos.
Abstract: The orthorhombic silicates Na2MSiO4 (M = Mg and Zn) have attracted interest as host matrices for rare-earth ions due to their structural stability and potential applications in optoelectronic devices, solid-state lighting phosphors, dielectric materials, and energy storage systems. In this work, classical computational modeling was employed to investigate structural defects and the effects of Eu3+ doping in these matrices. The parameterized interatomic potentials satisfactorily reproduced the experimental structural parameters, validating the adopted methodology. The solution energies of intrinsic defects indicated that sodium vacancies and Frenkel defects are the most favorable. For extrinsic defects, Eu3+ was found to preferentially occupy the divalent cation site (Mg2+ or Zn2+), with charge compensation occurring through antisite defects. The crystal-field analysis revealed that Eu3+ occupies a distorted C3 local-symmetry environment in both matrices, a characteristic directly related to the intensity of the 5D0-7Fj transitions and, consequently, to the luminescent performance. Furthermore, doping was found to reduce the elastic moduli and Debye temperature while preserving the overall thermal stability, maintaining these compounds as suitable candidates for optoelectronic applications. Complementarily, first-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT) were employed to investigate the structural, electronic, vibrational, and optical properties. The results indicate a dielectric character, with energy gaps in the visible-toultraviolet region, mainly associated with electronic transitions involving O-2p states in the valence band and Na-2p and M-s,p states in the conduction band. The optical properties reveal broad transparency in the visible region and a moderate dielectric response, consistent with insulating materials. Overall, the classical and ab initio results contribute to a comprehensive understanding of the mechanisms governing Eu3+ incorporation and the structural, electronic, and optical effects of doping, reinforcing the potential of Na2MSiO4 as a promising host matrix for applications in luminescent phosphors, optoelectronic devices, and other technologies based on dielectric materials.
Keywords: Física
Silicatos ortorrômbicos
Na2MSiO4
Defeitos estruturais
Teoria do Funcional da Densidade (DFT)
Propriedades eletrônicas
Orthorhombic silicates
Structural defects
Density Functional Theory (DFT)
Electronic properties
Subject CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Sponsorship: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Language: por
Institution: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Program Affiliation: Pós-Graduação em Física
Citation: SILVA, Carlos Henrique Prado. Estudo teórico-computacional das propriedades estruturais, eletrônicas, de defeitos e ópticas do Na2MSiO4 (M2+ = Mg e Zn) puro e dopado com Európio. 2026. 146 f. Tese (Doutorado em Física) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2026.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/26229
Appears in Collections:Doutorado em Física

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