Quantum molecular dynamics and ab initio studies of the crystal structure of hydrogen and deuterium

Hydrogen isotopes play a critical role both in inertial and magnetic confinemen Nuclear Fusion. Since the preferent fuel needed for this technology is a mixture of deuterium and tritium. The study of these isotopes particularly at very low temperatures carries a technological interest in other applications. The present line promotes a deep study on the structural configuration that hydrogen and deuterium adopt at cryogenic temperatures and at high pressures. Typical conditions occurring in present Inertial Fusion target designs. Our approach is aims to determine the crystal structure characteristics, phase transitions and other parameters strongly correlated to variations of temperature and pressure.

Simulación Ab Initio de los Isótopos de Hidrógeno en Altas Presiones

Tenemos una Metodología Multiescala por medio de la cual es posible estudiar las propiedades mecanicas de los isótopos de Hidrógeno. Observamos transiciones de Fase acorde con las reportadas por estudios experimentales. Existen discontinuidades en la variación de la velocidad del sonido que deben ser mejor estudiadas. Proponemos nuevas estructuras cristalinas para el Hidrógeno en Altas Presiones P mayor que 200 Gpa.

Ab initio Methodology for Calculating Elastic Constant and Sound Velocity for Hydrogen and Deuterium in Molecular Solid Phase

Hydrogen isotopes play a critical role both in inertial and magnetic confinement Nuclear Fusion. Since the preferent fuel needed for this technology is a mixture of deuterium and tritium. The study of these isotopes particularly at very low temperatures carries a technological interest in other applications. The present line promotes a deep study on the structural configuration that hydrogen and deuterium adopt at cryogenic temperatures and at high pressures. Typical conditions occurring in present Inertial Fusion target designs. Our approach is aims to determine the crystal structure characteristics, phase transitions and other parameters strongly correlated to variations of temperature and pressure. With this results is possible calculated the elastic constant and sound velocity for hydrogen and deuterium in molecular solid phase.

Ab initio calculations of Ca III Stark broadening parameters,transition probabilities and radiative lifetimes

We have determined matrix elements for all experimental configurations of Ca III, including the 3s3p63d configuration. These values have been obtained using intermediate coupling (IC). For these IC calculations, we have used the standard method of least-squares fitting from the experimental energy levels, using the computer code developed by Robert Cowan. In this paper, using these matrix elements, we report the calculated values of the Ca III Stark widths and shifts for 148 spectral lines, of 56 Ca III spectral line transition probabilities and of eight radiative lifetimes of Ca III levels. The Stark widths and shifts, calculated using the Griem semi-empirical approach, correspond to the spectral lines of Ca III and are presented for an electron density of 1017 cm?3 and temperatures T = 1.0?10.0 (×104 K). The theoretical trends of the Stark broadening parameter versus the temperature are presented for transitions that are of astrophysical interest. There is good agreement between our calculations, for transition probabilities and radiative lifetimes, and the experimental values presented in the literature. We have not been able to find any values for the Stark parameters in the references.

Ab-Initio calculations including Van der Waals interactions: the SnS2 layered material

Tin disulfide SnS2 was recently proposed as a high efficiency solar cell precursor [1]. The aim of this work is a deep study of the structural disposition of the most important polytipes of this layered material, not only describing the electronic correlation but also the interatomic Van der Waals interactions that is present between the layers. The two recent implementations to take Van der Waals interactions into account in the VASP code are the self-consistent Dion et al. [2] functional optimized for solids by Michaelides et al [3] and the Grimme [4] dispersion correction that is applied after each autoconsistent PBE electronic calculation. In this work these two methods are compared with DFT PBE functional. The results we will presented at this Conference, demonstrates the enhancement of the geometric parameters by the use of the Van der Waals interactions in agreement with the experimental values.

Highly correlated ab initio study of the far infrared spectra of methyl acetate

Highly correlated ab initio calculations (CCSD(T)) are used to compute gas phase spectroscopic parameters of three isotopologues of the methyl acetate (CH3COOCH3, CD3COOCH3, and CH3COOCD3), searching to help experimental assignments and astrophysical detections. The molecule shows two conformers cis and trans separated by a barrier of 4457 cm−1. The potential energy surface presents 18 minima that intertransform through three internal rotation motions. To analyze the far infrared spectrum at low temperatures, a three-dimensional Hamiltonian is solved variationally. The two methyl torsion barriers are calculated to be 99.2 cm−1 (C–CH3) and 413.1 cm−1 (O–CH3), for the cis-conformer. The three fundamental torsional band centers of CH3COOCH3 are predicted to lie at 63.7 cm−1 (C–CH3), 136.1 cm−1 (O–CH3), and 175.8 cm−1 (C–O torsion) providing torsional state separations. For the 27 vibrational modes, anharmonic fundamentals and rovibrational parameters are provided. Computed parameters are compared with those fitted using experimental data.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Quantum chemical investigation on iodine oxides and their role in the formation of atmospheric aerosols

En esta contribución se presenta un estudio teórico de diferentes reacciones químicas entre óxidos de iodo y agua que pueden contribuir a la formación de partículas en la atmósfera. Mediante el uso de cálculos quimicocuánticos ab initio con tratamiento de la correlación electrónica se han obtenido propiedades termodinámicas para caracterizar esas reacciones

Raman and infrared spectra of dimethyl ether 13C-isotopologue (CH3O13CH3) from a CCSD(T) potential energy surface

So far, no experimental data of the infrared and Raman spectra of 13C isotopologue of dimethyl ether are available. With the aim of providing some clues of its low-lying vibrational bands and with the hope of contributing in a next spectral analysis, a number of vibrational transition frequencies below 300 cm−1 of the infrared spectrum and around 400 cm−1 of the Raman spectrum have been predicted and their assignments were proposed. Calculations were carried out through an ab initio three dimensional potential energy surface based on a previously reported one for the most abundant dimethyl ether isotopologue (M. Villa et al., J. Phys. Chem. A 115 (2011) 13573). The potential function was vibrationally corrected and computed with a highly correlated CCSD(T) method involving the COC bending angle and the two large amplitude CH3 internal rotation degrees of freedom. Also, the Hamiltonian parameters could represent a support for the spectral characterization of this species. Although the computed vibrational term values are expected to be very accurate, an empirical adjustment of the Hamiltonian has been performed with the purpose of anticipating some workable corrections to any possible divergence of the vibrational frequencies. Also, the symmetry breaking derived from the isotopic substitution of 13C in the dimethyl ether was taken into account when the symmetrization procedure was applied.

CCSD(T) Study of CD3-O-CD3 and CH3-O-CD3 Far-Infrared Spectra

From a vibrationally corrected 3D potential energy surface determined with highly correlated ab initio calculations (CCSD(T)), the lowest vibrational energies of two dimethyl-ether isotopologues, 12CH3–16O–12CD3 (DME-d3) and 12CD3–16O–12CD3 (DME-d6), are computed variationally. The levels that can be populated at very low temperatures correspond to the COC-bending and the two methyl torsional modes. Molecular symmetry groups are used for the classification of levels and torsional splittings. DME-d6 belongs to the G36 group, as the most abundant isotopologue 12CH3–16O–12CH3 (DME-h6), while DME-d3 is a G18 species. Previous assignments of experimental Raman and far-infrared spectra are discussed from an effective Hamiltonian obtained after refining the ab initio parameters. Because a good agreement between calculated and experimental transition frequencies is reached, new assignments are proposed for various combination bands corresponding to the two deuterated isotopologues and for the 020 → 030 transition of DME-d6. Vibrationally corrected potential energy barriers, structural parameters, and anharmonic spectroscopic parameters are provided. For the 3N – 9 neglected vibrational modes, harmonic and anharmonic fundamental frequencies are obtained using second-order perturbation theory by means of CCSD and MP2 force fields. Fermi resonances between the COC-bending and the torsional modes modify DME-d3 intensities and the band positions of the torsional overtones.

Band gap control via tuning of inversion degree in CdIn2S4 spinel

Based on theoretical arguments, we propose a possible route for controlling the band-gap in the promising photovoltaic material CdIn2S4. Our ab initio calculations show that the experimental degree of inversion in this spinel (fraction of tetrahedral sites occupied by In) corresponds approximately to the equilibrium value given by the minimum of the theoretical inversion free energy at a typical synthesis temperature. Modification of this temperature, or of the cooling rate after synthesis, is then expected to change the inversion degree, which in turn sensitively tunes the electronic band-gap of the solid, as shown here by screened hybrid functional calculations.

Estructura electrónica de fotocatalizadores compuestos ZnO-TiO2

Recientes publicaciones han mostrado propiedades fotocatalíticas interesantes en sistemas basados en TiO2 y ZnO. En unos casos hay presentes fases de ambos óxidos binarios en íntimo contacto [1] y en otros se tienen óxidos mixtos (titanatos de Zn) de distintas estequiometrías [2]; estos últimos, además, se han podido dopar con nitrógeno para obtener actividad con luz visible [3]. Las características electrónicas relevantes de estos sistemas (posición relativa de los niveles de ambas fases en el primero, estructura de bandas para los titanatos con o sin N) se conocen muy poco. Aquí se realiza un estudio teórico cuántico de estos materiales, usando para mayor exactitud funcionales híbridos (pues es sabido que la DFT estándar predice mal los bandgaps). Además se tienen en cuenta desarrollos teóricos recientes que permiten determinar ab initio, para semiconductores de gap alto, el coeficiente más adecuado de mezcla de intercambio HF [4, 5], y formular reglas para obtener con más exactitud el alineamiento de bandas que se establece a través de una interfaz [5, 6].

A theoretical study on the formation of iodine oxide aggregates and monohydrates

Biotic and abiotic emissions of molecular iodine and iodocarbons from the sea or the ice surface and the intertidal zone to the coastal/polar marine boundary layer lead to the formation of iodine oxides, which subsequently nucleate forming iodine oxide particles (IOPs). Although the link between coastal iodine emissions and ultrafine aerosol bursts is well established, the details of the nucleation mechanism have not yet been elucidated. In this paper, results of a theoretical study of a range of potentially relevant aggregation reactions of different iodine oxides, as well as complexation with water molecules, are reported. Thermochemical properties of these reactions are obtained from high level ab initio correlated calculations including spin–orbit corrections. The results show that the nucleation path most likely proceeds through dimerisation of I2O4. It is also shown that water can hinder gas-to-particle conversion to some extent, although complexation with key iodine oxides does not remove enough of these to stop IOP formation. A consistent picture of this process emerges from the theoretical study presented here and the findings of a new laboratory study reported in the accompanying paper (Gomez Martin et al., 2013).

Theoretical investigation on iodine oxides formation in the production of atmospheric aerosols

In this contribution, results of a theoretical study on different reactions that odine oxides, in the presence of water, can undergo to form iodine oxides particles in the atmosphere. Thermodynamic and kinetic properties of these reactions have been obtained at high level ab initio correlated calculations.

Double ion implantation and pulsed laser melting processes for third generation solar cells

In the framework of the third generation of photovoltaic devices, the intermediate band solar cell is one of the possible candidates to reach higher efficiencies with a lower processing cost. In this work, we introduce a novel processing method based on a double ion implantation and, subsequently, a pulsed laser melting (PLM) process to obtain thicker layers of Ti supersaturated Si. We perform ab initio theoretical calculations of Si impurified with Ti showing that Ti in Si is a good candidate to theoretically form an intermediate band material in the Ti supersaturated Si. From time-of-flight secondary ion mass spectroscopy measurements, we confirm that we have obtained a Ti implanted and PLM thicker layer of 135 nm. Transmission electron microscopy reveals a single crystalline structure whilst the electrical characterization confirms the transport properties of an intermediate band material/Si substrate junction. High subbandgap absorption has been measured, obtaining an approximate value of 104 cm−1 in the photons energy range from 1.1 to 0.6 eV.