Electronic structure of a neutral oxygen vacancy in SrTiO3

The electronic structure of an isolated oxygen vacancy in SrTiO3 has been investigated with a variety of ab initio quantum mechanical approaches. In particular we compared pure density functional theory (DFT) approaches with the Hartree-Fock method, and with hybrid methods where the exchange term is treated in a mixed way. Both local cluster models and periodic calculations with large supercells containing up to 80 atoms have been performed. Both diamagnetic (singlet state) and paramagnetic (triplet state) solutions have been considered. We found that the formation of an O vacancy is accompanied by the transfer of two electrons to the 3d(z2) orbitals of the two Ti atoms along the Ti-Vac-Ti axis. The two electrons are spin coupled and the ground state is diamagnetic. New states associated with the defect center appear in the gap just below the conduction band edge. The formation energy computed with respect to an isolated oxygen atom in the triplet state is 9.4 eV.

First-principles study of the neutral molecular metal Ni(tmdt)2.

The electronic structure of the molecular solid Ni(tmdt)2, the only well characterized neutral molecular metal to date, has been studied by means of first-principles density functional calculations. It is shown that these calculations correctly describe the metallic vs semiconducting behavior of molecular conductors of this type. The origin of the band overlap leading to the metallic character and the associated Fermi surfaces has been studied.

Electronic and magnetic structure of LaMnO3 from hybrid periodic density-functional theory

The electronic and magnetic structures of the LaMnO3 compound have been studied by means of periodic calculations within the framework of spin polarized hybrid density-functional theory. In order to quantify the role of approximations to electronic exchange and correlation three different hybrid functionals have been used which mix nonlocal Fock and local Dirac-Slater exchange. Periodic Hartree-Fock results are also reported for comparative purposes. The A-antiferromagnetic ground state is properly predicted by all methods including Hartree-Fock exchange. In general, the different hybrid methods provide a rather accurate description of the band gap and of the two magnetic coupling constants, strongly suggesting that the corresponding description of the electronic structure is also accurate. An important conclusion emerging from this study is that the nature of the occupied states near the Fermi level is intermediate between the Hartree-Fock and local density approximation descriptions with a comparable participation of both Mn and O states.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Surface structure and stability of PdZn and PtZn alloys: Density-functional slab model studies

Geometric parameters of binary (1:1) PdZn and PtZn alloys with CuAu-L10 structure were calculated with a density functional method. Based on the total energies, the alloys are predicted to feature equal formation energies. Calculated surface energies of PdZn and PtZn alloys show that (111) and (100) surfaces exposing stoichiometric layers are more stable than (001) and (110) surfaces comprising alternating Pd (Pt) and Zn layers. The surface energy values of alloys lie between the surface energies of the individual components, but they differ from their composition weighted averages. Compared with the pure metals, the valence d-band widths and the Pd or Pt partial densities of states at the Fermi level are dramatically reduced in PdZn and PtZn alloys. The local valence d-band density of states of Pd and Pt in the alloys resemble that of metallic Cu, suggesting that a similar catalytic performance of these systems can be related to this similarity in the local electronic structures.

Quasilocal density functional theory and its application within the extended Thomas-Fermi approximation

In this paper we propose a generalization of the density functional theory. The theory leads to single-particle equations of motion with a quasilocal mean-field operator, which contains a quasiparticle position-dependent effective mass and a spin-orbit potential. The energy density functional is constructed using the extended Thomas-Fermi approximation and the ground-state properties of doubly magic nuclei are considered within the framework of this approach. Calculations were performed using the finite-range Gogny D1S forces and the results are compared with the exact Hartree-Fock calculations

Nuclear incompressibility in the quasilocal density functional theory

We explore the ability of the recently established quasilocal density functional theory for describing the isoscalar giant monopole resonance. Within this theory we use the scaling approach and perform constrained calculations for obtaining the cubic and inverse energy weighted moments (sum rules) of the RPA strength. The meaning of the sum rule approach in this case is discussed. Numerical calculations are carried out using Gogny forces and an excellent agreement is found with HF+RPA results previously reported in literature. The nuclear matter compression modulus predicted in our model lies in the range 210230 MeV which agrees with earlier findings. The information provided by the sum rule approach in the case of nuclei near the neutron drip line is also discussed.

Density matrix functional theory that includes pairing correlations

The extension of density functional theory (DFT) to include pairing correlations without formal violation of the particle-number conservation condition is described. This version of the theory can be considered as a foundation of the application of existing DFT plus pairing approaches to atoms, molecules, ultracooled and magnetically trapped atomic Fermi gases, and atomic nuclei where the number of particles is conserved exactly. The connection with Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) theory is discussed, and the method of quasilocal reduction of the nonlocal theory is also described. This quasilocal reduction allows equations of motion to be obtained which are much simpler for numerical solution than the equations corresponding to the nonlocal case. Our theory is applied to the study of some even Sn isotopes, and the results are compared with those obtained in the standard HFB theory and with the experimental ones.

Índexos de localització i deslocalització derivats de la densitat bielectrònica: anàlisi i aplicacions en estructura molecular, reactivitat química i aromaticitat

La present tesi doctoral s'emmarca dins el camp de la química teòrica i computacional. El primer objectiu, que va ser el de partida, consistia a veure si els índexos bielectrònics derivats de la teoria AIM podien ser útils per estudiar la reorganització electrònica al llarg d'una reacció. De forma paral·lela es va plantejar un objectiu metodològic, el càlcul dels índexos mencionats a altres nivells de teoria, com podia ser DFT o CI. CI. Aquests dos objectius varen portar a molts d'altres, tot i que els principals són: Objectiu 1. Estudi de la reorganització de parells d'electrons al llarg d'una reacció. Objectiu 2. Efecte de la solvatació sobre l'estructura de parells d'electrons d'una molècula. Objectiu 3. Càlcul dels índexos de localització i deslocalització als nivells de teoria del funcional de la densitat i post-Hartree-Fock. Objectiu 4. Caracterització de l'enllaç per pont d'hidrogen per mitjà de l'estructura dels parells d'electrons. Objectiu 5. L'índex de deslocalització: nou criteri electrònic d'aromaticitat.

A influência dos elementos da primeira série de transição nas propriedades eletrônicas de aglomerados de paládio: um estudo baseado na Teoria do Funcional de Densidade (TFD)

Na área da catálise, interações de moléculas pequenas como H2,N2,O2, CO, NO etc, com aglomerados metálicos, têm nas suas adsorções químicas etapa fundamental nas atividades catalíticas. O paládio está entre os metais mais empregados em catalisadores usados em muitos processos catalíticos heterogêneos. Neste presente trabalho foi realizada uma série de cálculos baseado na Teoria do Funcional de Densidade (TFD ou DFT) empregando o método BP86/LANL2DZ/6-311+G(d,p) para estudar a adsorção da molécula NO que foi utilizada como protótipo molecular para interagir sobre aglomerados de paládio puros e dopados com metais de transição da primeira série de transição (Pd3M e Pd9M). Neste contexto, o escopo deste trabalho foi: (i) obter informações a respeito das possíveis alterações estruturais e eletrônicas ocorridas em aglomerados de paládio quando dopados com metais da primeira série de transição (MT), (ii) estudar as alterações no comportamento do átomo de paládio, nos seus respectivos aglomerados puros, frente aos aglomerados dopados com metais de transição da primeira série,(iii) buscar possíveis padrões de influência dos MT nas propriedades de aglomerados de paládio (ex: energias dos orbitais de fronteira, transferências eletrônicas de doação e retrodoação, densidades de spin, hibridizações dos orbitais responsáveis pelas ligações com moléculas adsorventes etc). Após a realização dos cálculos baseados na DFT, os resultados mostram que, para o estudo sobre os aglomerados contendo quatro átomos, foi obtida correlação direta entre a carga adquirida pelo metal M dentro do aglomerado metálico e os orbitais moleculares de fronteira LUMO calculados para Pd3M. Esta correlação direta não se mantém quando o tamanho do aglomerado de paládio é aumento de quatro para dez átomos. A energia de adsorção apresentada pela molécula de NO apresenta boa correlação com a energia do LUMO, independentemente do número de átomos e da geometria do aglomerado e da natureza do metal dopante. A molécula de NO adsorve mais favoravelmente no modo Bridge, independentemente de qual metal está dopando o aglomerado de Pd9M. Entretanto, para o aglomerado de Pd3M, o modo de adsorção dependerá da natureza do metal dopante. A mudança na geometria e no número de átomos de paládio existentes no aglomerado provoca mudanças no modo e na energia de adsorção da molécula de NO adsorvente. Uma investigação mais aprofundada deve encontrar outras possíveis correlações entre propriedades dos metais da primeira série e aglomerados de paládio dopados com os mesmos

Estudio del efecto de sustituyentes laterales tipo éter y éster en las energías de excitación de oligómeros conjugados por medio de teoría del funcional de la densidad.

Tesis (Doctor en Ingeniería de Materiales) UANL, 2010.

Investigació i disseny en Teoria del Currículum. 'Investigación y diseño en Teoría del Currículum'.

Tomado del resumen de la propia autora

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Estudo da adsorção de hidrogênio e sulfeto na superfície de paládio: aspectos experimentais (eletroquímica) e teóricos (ab initio e Teoria do Funcional da Densidade)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)