Analytical and numerical study of polarons

The aim of this thesis is to introduce the polaron concept and to perform a DFT numerical calculation of a small polaron in the rutile phase of TiO2. In the first chapters, we present an analytical study of small and large polarons, based on the Holstein and Fröhlich Hamiltonians. The necessary mathematical formalism and physics fundamentals are briefly reviewed in the first chapter. In the second part of the thesis, Density Functional Theory (DFT) is introduced together with the DFT+U correction and its implementation in the Vienna Ab-Initio Simulation Package (VASP). The calculation of a small polaron in rutile is then described and discussed at a qualitative level. The polaronic solution is compared with the one of a delocalized electron. The calculation showed how the polaron creates a new energy level 0.70 eV below the conduction band. The energy level is visible both in the band structure diagram and in the density of states diagram. The electron is localized on a titanium atom, distorting the surrounding lattice. In particular, the four oxygen atoms closer to the titanium atom are displaced by 0.085 Å outwards, whereas the two further oxygen atoms by 0.023 Å. The results are compatible, at a qualitative level, with the literature. Further developments of this work may try to improve the precision of the results and to quantitatively compare them with the literature.

Metodi per la stima ab initio del gap energetico nei materiali

In questa tesi è stato svolto il calcolo di alcune proprietà dei materiali usando un approccio ab initio, in particolare i gap energetici e le DOS (densità di stati) di silicio e ossido di nichel. Per fare ciò, sono state usate tre diverse teorie: DFT (Density Functional Theory), DFT+U e GW. Nei primi tre capitoli sono state spiegate le tre approssimazioni fatte e le basi teoriche. Nel quarto capitolo si presentano i risultati. In particolare il gap del silicio usando la DFT è di 0.6617 eV che risulta più basso di quello sperimentale di 1.12 eV a causa dei limiti della DFT. Per la DFT+U è stato svolto il calcolo sull’ossido di nichel perché presenta orbitali d, interessati maggiormente nella correzione apportata. L’energia di gap calcolata è di 3.3986 eV . Per quel che riguarda l’approssimazione GW, è stata svolta anch’essa sul silicio e restituisce un gap di 1.301 eV , che risulta più vicino alla misura sperimentale rispetto alla DFT.