Análisis riguroso del efecto del parámetro U en la representación estructural y electrónica de los polimorfos más abundantes de la titania empleando DFT

G.F. CABEZA; C. I. N. MORGADE; N. J. CASTELLANI

Carlos Paz

Congreso; 97ª Reunión Nacional de Física; 2012

Asociación Física Argentina

La bibliografía referida a estudios teóricos analizada respecto al TiO2 es variada y disímil ya que la  correcta descripción de las propiedades electrónicas de los óxidos de metales de transición es una deficiencia bien conocida de la teoría DFT, en particular por subestimar los anchos de banda prohibida o band gap (BG). Muchos estudios no han analizado además el comportamiento magnético producido frente a la presencia de defectos. Sin embargo el conocimiento de la estructura electrónica correcta es de suma importancia en la búsqueda de dopantes, análisis de defectos tales como vacancias o estudio de superficies para lograr una apropiada optimización en su activación y actividad.Una manera de mejorar las aproximaciones LDA y GGA es modificar la interacción coulombiana entre átomos a través de la aproximación LDA+U o GGA+U, donde U es el parámetro de Hubbard. En este modelo un número concreto de orbitales localizados es seleccionado y la correlación electrónica asociada, es tratada de manera altamente dependiente de la elección del parámetro U utilizado. Nuestro estudio se basa precisamente en una investigación rigurosa de este parámetro para la representación de las estructuras anatasa y rutilo de la titania, y su comparación con parámetros estructurales y electrónicos experimentales (BG, módulo de bulk, parámetros de celda). La mayoría de los estudios experimentales realizados hasta el momento han sido efectuados sobre rutilo ya que los cristales de anatasa presentan mayores complicaciones para su obtención.Los cálculos se realizaron empleando el código VASP dentro del formalismo de la Teoría de la Funcional Densidad, con la inclusión del coeficiente de Hubbard (DFT+U) actuando sobre los estados 3d del Ti. Los valores del coeficiente U fueron variados desde 0 hasta 13 eV. Un valor óptimo de 8 eV nos permite representar correctamente el ancho del BG con un valor de 3.17 eV cercano al 3.2 eV observado experimentalmente para la anatasa. En el caso del rutilo el valor que mejor representa a la estructura es un U de 10 eV que da un valor para el BG de 2.83 eV siendo el valor experimental de 3 eV; se esperaba un mayor valor de U para el rutilo ya que esta estructura posee mayor densidad electrónica por lo que el efecto de  correlación es más pronunciado. El estudio se extendió a los mismos sistemas con presencia de vacancias de oxígeno, empleando superceldas 3x3x1 para estudiar la influencia de defectos que presenta el material en su interior.