Cálculo das propriedades ópticas de óxidos de vanádio através de transições metal-isolante

Abstract

Resumo: Nesta tese sao apresentados os estudos, via calculos da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com a aproximacao de Becke-Johnson modificada (mBJ), das estruturas eletronicas e propriedades opticas, atraves das transicoes de fase metal-isolante, para os compostos RVO3 (R=Sr, Ca, La, Y), Y1?xCaxVO3, Srn+1VnO3n+1 (n = 1 e n ? ?), e VO2. Estes compostos sao oxidos de metal de transicao, tendo o vanadio como o metal de transicao. A transicao de fase metal-isolante tem suas origens microscopicas, e estao intimamente relacionadas com a estrutura eletronica dos sistemas, as quais apresentam uma forte correlacao dos eletrons 3d do vanadio e do campo cristalino. Observou-se que os estados V 3d sao desdobrados por campo cristalino em sub-bandas t2g e eg, de spins majoritario e minoritario, para os compostos que obtiveram resultados com estados fundamentais isolantes-antiferromagneticos: LaVO3, YVO3, Y0,75Ca0,25VO3, Y0,50Ca0,50VO3, Sr2VO4. Para estes compostos, e VO2-monoclinico (sem caracterizacao magnetica), tambem foi observado um gap optico, validando seus estados fundamentais isolantes. O desdobramento entre os spins majoritario e minoritario em SrVO3, CaVO3 e VO2-tetragonal foi zero, e com ausencia de gap de banda, indicando que o composto possui estado fundamental metalico-paramagnetico. Para esses compostos, atraves das propriedades opticas, foi observada a contribuicao de Drude, que reflete o carater metalico dos estados fundamentais. Os calculos de estrutura de bandas foram realizados utilizando o pacote computacional WIEN2k, que e baseado na DFT-(L)APW+lo. Os resultados obtidos foram comparados com medidas experimentais de bibliografias de relevancia, mostrando boa concordancia. Desta forma, valida-se o metodo usado, baseado na aproximacao mBJ, fornecendo bons resultados com baixo custo computacional. Tambem mostrando que a condutividade optica e uma ferramenta poderosa para estudar as transicoes metal-isolante em oxidos de vanadio. Em particular, o peso de Drude pode ser usado para caracterizar o estado metalico, e o valor do gap de banda pode ser estimado na fase isolante. Palavras-chave: Oxidos de vanadio. Transicao de fase metal-isolante. Condutividade optica. Calculo de estrutura de banda. DFT. mBJ.

Abstract: In this thesis studies are presented, by DFT calculations using mBJ approximation, about the electronic structures and optical properties, via metal-insulating phase transitions, for the compounds RVO3 (R=Sr, Ca, La, Y), Y1?xCaxVO3, Srn+1VnO3n+1 (n = 1 and n ? ?), and VO2. These compounds are metal oxide transitions, with vanadium being the transition metal. The metal-insulating phase transition has its microscopic origins, and are closely related to the electronic structure of the systems, which have a strong correlation from 3d electrons of vanadium and crystal field. It has been observed that the V 3d states are splitted by crystalline field in sub-bands t2g and eg, of major and minor spins, for those compounds which have obtained results with insulating-antiferromagnetic ground states: LaVO3, YVO3, Y0,75Ca0,25VO3, Y0,50Ca0,50VO3, Sr2VO4. For these compounds, and VO2-monoclinic (no magnetic characterization), an optical gap was also observed, validating its insulating ground state. The splitting between the major and minor spins in SrVO3, CaVO3 and VO2-tetragonal was zero, with absence of band gap, indicating that the compound has a metallic-paramagnetic ground state. For these compounds, through the optical properties, the contribution of Drude was observed, which reflects the metallic character of the ground states. Band structure calculations were performed using the WIEN2k computational package, which is based on DFT-(L)APW+lo. The results were compared with experimental measurements of relevant bibliographies, showing good agreement. Therefore, they validate that the method used, based on the mBJ approach, provides good results with low computational cost. It also shows that optical conductivity is a powerful tool to study the metal-insulating transitions in vanadium oxides. In particular, the Drude weight can be used to characterize the metallic state, and the band gap value can be estimated in the insulating phase. Keywords: Vanadium oxides. Metal-insulator phase transition. Optical conductivity. Band structure calculations. DFT. mBJ.