Estudio de primeros principios empleando DFT+U sobre titania. Influencia del parámetro U en una adecuada representación estructural y electrónica del óxido

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

Mar del Plata

Congreso; XXIX Congreso Argentino de Química; 2012

Asociación Química Argentina

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). Una manera de mejorar las aproximaciones LDA [1] y GGA [2] es modificar la interacción coulombiana entre átomos a través de la aproximación LDA+U o GGA+U, donde U es el parámetro de Hubbard [3]. 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 [4]. Nuestro estudio se basa precisamente en una investigación rigurosa de este parámetro para la representación de la titania estructura anatasa de importantes propiedades y aplicaciones tecnológicas entre las que figuran por ejemplo, su capacidad fotocatalizadora. Para esta aplicación su BG es un ítem a optimizar en orden de intentar aprovechar un mayor rango de longitudes de onda del espectro de luz y mejorar su eficacia.  La bibliografía con respecto a este óxido es variada y disímil. 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. La optimización propuesta en este trabajo, ha sido ya empleada por nuestro grupo para estudiar a la titania, tanto bulk como en sus superficies más reactivas [5], dopándolas con N, C [6] o V [7], en ausencia y presencia de vacancias de O y los resultados obtenidos concuerdan con los hallados en diferentes trabajos reportados en la literatura. Los cálculos se realizaron empleando el código VASP [8] 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 10. Un valor óptimo de 8 eV nos permite representar correctamente el ancho del BG con un valor de 3.17 eV (ver Tabla), cercano al 3.2 eV observado experimentalmente [9]. Para calcular las interacciones electrón-ión se usaron los pseudopotenciales provistos por el método PAW [10]. Las funciones de onda electrónicas de Kohn-Sham fueron expandidas en una base de ondas planas con una energía de corte de 400 eV para la energía cinética. El cálculo se realizó considerando la polarización de spin. El sistema se modelizó utilizando 10x10x10 puntos k de acuerdo al esquema de Monkhorst-Pack.