Propiedades físicas de materiales complejos mediante simulación computacional

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es investigar las propiedades físicas de dos tipos de materiales, desde un punto de vista teórico. En el presente trabajo primero se estudia, utilizando la técnica de simulación computacional de dinámica molecular, el dióxido de germanio amorfo o a-GeO2 a presión ambiente y altas presiones. En este estudio fueron obtenidas las propiedades estructurales cuyo análisis detallado revela un orden de corto alcance para el estado amorfo definido por tetraedros levemente desordenados y que bajo altas presiones presenta una transformación estructural de estos tetraedros a octaedros como estructura representativa en el corto alcance, estos resultados están en buen acuerdo con resultados experimentales recientes y con otras simulaciones computacionales realizadas. Las propiedades dinámicas también han sido calculadas, de estos resultados hemos podido observar los modos vibracionales de los componentes de la celda a presión ambiente en particular los modos inter-tetraedros que representan el movimiento característico entre los tetraedros de la celda y el intra-tetraedro que representa los movimientos de los átomos que componen el tetraedro. Estos resultados están en buen acuerdo, para bajas frecuencias, con resultados experimentales y otras simulaciones, pero además hemos podido caracterizar este tipo de vibraciones para frecuencias superiores y para estados de altas presiones del a-GeO2. Para llevar a cabo los cálculos computacionales fueron utilizados códigos ya existentes, pero adicionalmente fue desarrollado por nuestro grupo un código computacional de dinámica molecular "Las Palmeras Molecular Dynamics", LPMD, el cual ha sido una pieza clave para los análisis posteriores a la simulación de la dinámica molecular. El segundo material estudiado en este trabajo es un nuevo material, un compuesto ternario laminar que fue sintetizado hace algunos años y que pertenece a una familia de materiales conocida como MAX phases, en particular hemos estudiado Ti2GaN, que al igual que las otras MAX phases presenta características híbridas, ya que es capaz de comportarse tanto de forma metálica como cerámica, lo que lo hace un material de propiedades ventajosas a nivel industrial. El estudio se ha realizado a través de la Teoría del Funcional de la Densidad, ya que no podemos realizar con dinámica molecular este estudio debido a que junto con ser un material laminar (difícil de tratar con dinámica molecular), no se cuenta con un potencial que lo describa, por lo que este tipo de análisis más complejo es necesario. Los resultados obtenidos de la simulación son las propiedades mecánicas del material en particular el módulo de Bulk, que nos entregó un valor de 160GPa, cercano a los resultados experimentales recientes, y una caracterización electrónica del mismo sometido a altas presiones, para analizar el carácter propio del material (metálico en este caso) y cómo este carácter se conserva a medida que la presión aumenta. Para realizar este estudio hemos utilizado VASP, un código que lleva ya muchos años de pruebas y mejoras, así entonces hemos podido caracterizar las propiedades mecánicas bajo condiciones ambientales y algunas propiedades electrónicas del material sometidas a presión.

The main objective of this thesis is to investigate the physical properties of two kinds of materials from a theoretical standpoint. First, a study of amorphous germanium dioxide (or a-GeO2) at ambient pressure and high pressure, is presented, and which was performed using Molecular Dynamics computer simulation. Structural properties were obtained, whose detailed analysis reveals a short-range order of the amorphous state defined by slightly disordered tetrahedra, and a structural transformation under high pressures, by which the representative structures at close range change from tetrahedra to octahedra. These results are in good agreement with recent experimental results and previous computer simulations. The dynamical properties have also been calculated, from which the different vibrational modes of the components of the cell were obtained for the case of ambient pressure, in particular the inter-tetrahedra modes, representing the characteristic motion between the tetrahedra in the cell, and the intra-tetrahedra, representing the motion of the atoms which constitute the tetrahedron. These results are in good agreement with experimental results and previous simulations, for the case of low frequencies, but nevertheless we could also characterize the higher-frequency vibrations and high pressure states of a-GeO2. Existing codes were used to perform the computations, but additionally, a new molecular dynamics computer code, "Las Palmeras Molecular Dynamics", LPMD, was developed by our own group. This code has been key to post-simulation analysis of molecular dynamics data. The second material studied in this work is a new material, a lamellar ternary compound synthesized some years ago, belonging to a family of materials known as MAX phases. In particular, we have studied Ti2GaN which, as other MAX phases, presents hybrid characteristics, being capable of having metallic and ceramic behavior, properties which make it an advantageous material at the industrial level. The study was conducted through Density Functional Theory, as in this case we cannot perform classical molecular dynamics. This is due to it being a lamellar material (difficult to treat in molecular dynamics), and the lack of potentials to describe it, so this type of analysis is intrinsically more complex. The DFT simulations give the mechanical properties of the material, such as the bulk modulus B. In particular we give a value of B=160GPa, close to recent experimental results, and attempt an electronic characterization of the same sample, subjected to high pressures, in order to determine the character of the material (metallic character in this case) and how it is preserved as pressure increases. For this study we used VASP, a code taking many years of testing and improvements. Using VASP we characterized the mechanical properties of the system under ambient conditions, and some electronic properties of the same under pressure.