Estudio de la estructura electrónica y patrones de crecimiento en clusters de metales alcalínos

Abstract

Esta tesis se ha centrado en dos aspectos principales, en primer lugar la búsqueda de los posibles isómeros de los clusters de los metales alcalinos, utilizando para ello la implementación de una metodología estocástica para la generación de isómeros. Este algoritmo está basado en la teoría del Big Bang. La estrategia consiste en un procedimiento de tres pasos: optimización semiempirica de 1000n geometrías de partida supercomprimidas, seguido por dos optimizaciones utilizando métodos de la Teoría del Funcional de la Densidad. La metodología se aplicó al estudio de las estructuras y propiedades de los clusters de metales alcalinos (Li, con 3 ≤ n ≤ 20, Na, con 3 ≤n≤ 13, у K, con 3 ≤ n ≤ 10). Mediante el uso de esta técnica fue posible encontrar 101 nuevos isómeros. Las estructuras de los clusters alcalinos muestran un gran número de subunidades tetraédricas y pirámides pentagonales. Se han discutido y comparado los resultados con datos experimentales y otros cálculos. En segundo lugar se ha propuesto una metodología para la predicción de nuevas moléculas y se ha realizado un estudio numérico de varios isómeros del cluster de Li 10. El análisis de la Función de Localización Electrónica y de los diagramas de energía revelan la existencia de un cluster con un espacio interior capaz de alojar un heteroátomo, por ejemplo oxígeno, siendo el candidato perfecto el cluster LiO, debido a la evidencia experimental de la existencia de un núcleo catiónico [LieÓ]4*, el mismo presente en el cluster LiO. Para comprobar la estabilidad del cluster propuesto se ha realizado un análisis de sus canales de disociación. Se han calculado los espectros IR y UV para ayudar en la identificación de este nuevo cluster.

This thesis has focused in two main aspects, first, the search for the possible isomers of alkali clusters, using for that a stochastic implementation of a methodology for the generation of isomers. This algorithm is based on the Big Bang theory. The strategy consists in a three-step procedure; a semiempirical optimization of the 1000n super compressed starting geometries, followed by two DFT optimizations of the resulting structures. The methodology is applied to the study of alkali metal clusters (Lin with 3 ≤ns 20, Nan with 3 ≤n≤ 13, and K, with 3 ≤n≤ 10) structures and properties. With this new technique, we were able to find 101 new isomers. The structure of alkali clusters show a large number of pentagonal pyramids and tetrahedral subunits. Most important electronic properties have been discussed and compared with different calculations and experimental data. A new methodology for the prediction of new molecules has been proposed and a detailed numerical study of several isomers of the Li1o cluster has been done. The analysis of the Electronic Localization Function and the analysis of energy diagrams revealed the existence of one cluster with an inner space capable to suit a heteroatom, as for instance, oxygen. The perfect candidate is the LiO cluster due to the experimental evidence of the [LisO]4+ core, the same core present in the LitO. In order to check the thermodynamic stability of this cluster an analysis of its dissociation channels has been done. The IR and UV-Vis spectra have been calculated to help in the further identification of this new cluster.