Curso de posgrado válido para cubrir exigencias del Doctorado de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de La Plata. Segundo semestre de 2023.
Contacto: errico@fisica.unlp.edu.ar; eitelp@gmail.com
Fecha de inscripción: del 15 de julio al 15 de agosto de 2023 en el siguiente link: https://forms.gle/E8Hpnh2d1L18RS43A
Docentes: Dr. Leonardo Errico (responsable), Dr. Eitel Peltzer y Blancá, Dr. Arles Gil Rebaza, Dr. Ricardo Faccio (Profesor Visitante), Dra. Susana Ramos (Profesor Visitante), Dra. Valeria Ferrari (Profesor Visitante).
Modalidad: Teórico-práctico, presencial para estudiantes de Doctorado de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNLP. Se harán videoconferencias en tiempo real para aquellos estudiantes que no pertenezcan a dicho doctorado y estén fuera del ámbito de La Plata.
Carga horaria: 4 horas por semana, dos clases de 2 horas. 38 horas de teoría, 12 horas de práctica. Trabajo final con defensa del mismo.
Fecha estimada de inicio: segunda semana de septiembre de 2023.
Contenido y actividades.
La Ciencia de Materiales Computacional hoy en día es capaz de predecir propiedades electrónicas, vibracionales, ópticas, magnéticas, vibracionales y de transporte, entre otras, de sólidos y moléculas, lo que permite el diseño de materiales con características óptimas para aplicaciones tecnológicas específicas. El modelado computacional también encuentra un lugar prominente junto a las investigaciones experimentales, ya que éstas a menudo requieren de simulaciones computacionales a fin de interpretar los datos obtenidos u obtener un resultado cuantitativo en lugar de sólo uno cualitativo.
En este curso se busca introducir a los estudiantes en los métodos computacionales de primeros principios basados en el teorema de la funcional densidad (DFT) y técnicas de simulación que se aplican actualmente para el modelado de diversos tipos de materiales, con especial énfasis en nanomateriales, dispositivos semiconductores, superficies y propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas, termodinámicas, vibracionales e hiperfinas de los mismos. Se desarrollarán los aspectos fundamentales de DFT, aplicada principalmente para caracterizar el comportamiento y propiedades de sólidos. Se espera poder brindar el conocimiento necesario que permita a los estudiantes conocer las potencialidades y limitaciones de la metodología y que sean capaces de llevar adelante estudios teóricos y experimentales en sistemas de interés.
Programa
1- Introducción al estudio de la materia condensada. Tipos de sólidos, su clasificación. Teoría de muchos cuerpos. Teoría de la funcional densidad.
2- Ondas planas, ondas planas linearizadas, potenciales completos y pseudopotenciales. Aproximación de Born-Oppenheimer. El problema de correlación e intercambio. Las Ecuaciones de Kohn y Sham. Resolviendo las ecuaciones: El método full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW). Pseudopotenciales. Propiedades estructurales, electrónicas, y magnéticas. Minimización estructural, fuerzas, momentos magnéticos, propiedades hiperfinas (corrimiento isomérico, gradiente de campo eléctrico, campo hiperfino). Metales, óxidos semiconductores, volumen y superficie. Espectros absorción de rayos X (XANES). Estimación de la barra de error en los cálculos.
3- Potenciales de correlación e intercambio. Aproximación de densidad local (LDA), de gradientes generalizados (GGA), funcionales híbridas. Ventajas y desventajas. Costo computacional
4- Introducción al magnetismo y origen de las propiedades magnéticas en materiales. El magnetón de Bohr. Espintrónica. Ecuaciones DFT para sistemas polarizados en espín. Tipos de materiales magnéticos: electrones localizados versus electrones itinerantes. Ferromagnetismo, antiferromagnetismo, ferrimagnetismo y magnetismo no colineal. Modelos de Stoner, de Hubbard, de Heisenberg. Efecto Kondo e interacción RKKY. Mapeo en hamiltonianos-modelo para evaluar constantes mediante cálculos DFT. Sistemas magnéticos explorados con DFT: heteroestructuras de óxidos, manganitas, transporte polarizado en espin por nanotubos de carbono, ferromagnetismo a temperatura ambiente en nitruro de galio manganeso.
5- Propiedades vibracionales, espectro fonónico y diagramas de dispersión. Aproximación de desplazamientos finitos y la Teoría del Funcional de la Densidad Perturbada (DFPT). El código Phonopy, propiedades vibracionales y termodinámicas. Si bulk y nanoestructuras de óxido de Titanio.
6- Termofísica ab initio en la aproximación cuasi-armónica. Efectos anarmónicos. Espectro de frecuencias dependiente del volumen. La aproximación cuasi-armónica (QHA). Parámetro de Grüneisen. Contribuciones electrónicas. Cálculo de propiedades termodinámicas en la QHA: capacidad calorífica a presión constante, coeficiente de expansión térmica, entropía y energía libre de Gibbs. Aplicaciones: propiedades vibracionales y termodinámicas de compuestos intermetálicos binarios del tipo TMaXb, (TM = Cu, Ni; X = In, Sn, Sb).
Tutoriales (prácticas hands-on)
Práctica 1- El código Quantum-Espresso. Instalación. Criterios de convergencia. Archivo de entrada. Ejecución en paralelo. Elección de pseudopotencial, energía de corte, densidad de corte, sampleo de la zona de Brillouin, número de puntos k. Optimización del parámetro de red, estructura de bandas, densidad de estados total (DOS) y parcial (PDOS), densidad de carga. Práctica
Práctica 2- Sistemas Magnéticos. Fe(BCC). Influencia del smearing en sistemas magnéticos. Estructura de bandas, DOS, PDOS. Magnetismo colineal y no-colineal. Cálculos fixed spin moment (FSM).
Práctica 3- Optimización de sistemas con grados de libertad internos. Cálculos de relajación con celda variable (vc-relax). Sistemas semi-periódicos (superficies), relajación superficial. Au(001) y Au(110).
Práctica 4: Más allá de GGA. DFT+U: caso del NiO y FeO. Funcionales híbridas: B3LYP, PBE0, HSE06, GAU, meta-GGA (TB-mBJ). Estudio del Si y NiO.
Práctica 5- Propiedades vibracionales y térmicas en aproximación armónica. Introducción al código Phonopy. Archivos de entrada y salida. Generación de super-celdas con desplazamientos finitos. Construcción de la matriz de constantes de fuerzas y archivo de conjunto de fuerzas. Densidad de estados fonónica, diagrama de dispersión, propiedades termodinámicas y representación irreducible. Efecto del uso de super-celdas con desplazamientos finitos versus el uso de DFPT. Cálculos espectroscópicos: IR y Raman.
Práctica 6- Propiedades termodinámicas del Si la aproximación QHA. Curva E vs V. Generación de super-celdas con desplazamientos simétricos a diferentes volúmenes en torno al equilibrio a T=0 K. Cálculo de fonones para distintos volúmenes. Cálculo de propiedades termodinámicas del Si: capacidad calorífica a presión constante, módulo de compresión, coeficiente de expansión térmica, parámetro de Grüneissen en función de la temperatura.