Pseudopotenciales transferibles para elementos de transición en la Teoría del Funcional de la Densidad

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo la adquisición de conocimientos, tanto teóricos como prácticos, sobre simulaciones computacionales ab-initio de propiedades de materiales nanométricos complejos mediante el uso del código SIESTA (del inglés, Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms). Se entenderán como sistemas complejos aquellos que contengan elementos químicos de transición, cuya principal característica es que presentan electrones localizados del tipo ndx. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas pueden ser los óxidos metálicos, los compuestos organometálicos, o las impurezas magnéticas en aleaciones, mientras que entre sus numerosas aplicaciones prácticas están la catálisis, los sensores, la geofísica, el magnetismo, la metalurgia, nuevos materiales nanométricos, etc... Las simulaciones ab-initio (o de primeros principios) describen el comportamiento cuántico de la materia y complementan (y, a veces, sustituyen) a los tradicionales métodos de prueba y error, debido al ahorro de tiempo y dinero en la fabricación de materiales y dispositivos. Interesa, por tanto, que los resultados de estas simulaciones sean muy fiables. Las simulaciones de primeros principios se realizan hoy día en base a la Teoría del Funcional de la Densidad (Density Functional Theory: DFT). Para alcanzar dicho objetivo, el trabajo fue dividido en una fase de investigación bibliográfica y una fase de aplicación. En la fase bibliográfica se estudió la teoría DFT, las características básicas de sus implementaciones (códigos de computación existentes), y sus logros y debilidades. Una de las principales dificultades de la teoría es describir bien (con buena aproximación) sistemas que contengan átomos de elementos de transición (con electrones nd). La fase de aplicación se realizó mediante el código SIESTA, que usa como datos de entrada pseudopotenciales (PS's) atómicos no locales y bases de orbitales atómicos numéricos (NAO's), y estuvo centrada en el estudio de la transferibilidad de dichos PS's y NAO's para los elementos V, Co, Rh, y Pd. Así, para cada uno de los elementos anteriores, se partió de PS's y NAO's previamente optimizados para reproducir propiedades experimentales de sistemas periódicos infinitos (bulks) como la energía de cohesión, o el módulo de compresibilidad, y se comprobó su capacidad para reproducir las propiedades típicas de los dímeros, tales como la energía de disociación, la distancia de enlace, la multiplicidad de espín y la frecuencia de vibración. En todos los casos se usó la aproximación de gradientes generalizados (GGA) de Perdew, Burke, y Ernzerhof (PBE) para el funcional de intercambio y correlación. El resultado final es un informe sobre los objetivos propuestos: adquirir los conocimientos necesarios para realizar simulaciones ab-initio mediante la Teoría del Funcional de la Densidad, llevar a cabo su implementación en el código SIESTA, y ser capaz de caracterizar pseudopotenciales no locales transferibles para aplicaciones que contengan elementos de transición con electrones 3d y 4d. Durante la realización de este trabajo, se han aplicado numerosos recursos y conocimientos adquiridos durante el Grado, siendo de mayor utilidad aquellos referidos a las asignaturas de Mecánica Cuántica, Física Atómica y Física del Estado Sólido.