| Data: |
2022 |
| Resum: |
Abordar l'energia dels defectes és útil per entendre'ls i identificar-los en els materials, un repte que no es pot aconseguir només amb tècniques experimentals. L'objectiu d'aquesta tesi és facilitar l'estudi computacional de les propietats dels defectes ab initio, en particular fent servir la Teoria del Funcional de la Densitat (Density Functional Theory, DFT). Entre les diverses classes d'imperfeccions dels materials, ens centrem en la més senzilla, coneguda com a defectes puntuals: la manca o impuresa d'un únic àtom en un sistema cristal·lí perfecte, per exemple. L'objectiu és calcular l'energia d'aquests defectes. Tot i que el nombre de defectes, estructures i combinacions configuracionals suposen un gran repte per a les tècniques computacionals, el desenvolupament recent de mètodes computacionals d'alt rendiment ofereix un marc que, en conjunt, permet una ruta per abordar el problema: tecnologia punta en instal·lacions per computació d'alt rendiment, plataformes per enviar i controlar milers de càlculs, emmagatzemar la informació en bases de dades recercables i fluxos de treball que automatitzen les complexes combinacions de càlculs DFT necessàries per resoldre l'estructura electrònica. Tenint en compte això, he desenvolupat tota la maquinària necessària per calcular les propietats energètiques de defectes amb SIESTA mitjançant tres paquets de flux de treball particulars a AiiDA, una plataforma potent que permet càlculs d'alt rendiment en materials. Ens centrem en dues energies específiques per als defectes puntuals: energies de formació i energies de barrera de migració. L'energia de formació és l'energia necessària per crear el defecte, que està relacionada amb la probabilitat de tenir una certa concentració d'aquest defecte dins del material. En el cas d'un defecte carregat, cal tenir en compte consideracions molt acurades a causa de la interacció electrostàtica de la càrrega amb les seves imatges periòdiques. L'energia de barrera de migració és l'energia mínima necessària per activar el moviment de difusió del defecte en una direcció determinada del sistema. Aquesta energia està relacionada amb la conductivitat iònica i, per tant, té un gran interès per a aplicacions industrials com ara bateries, piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) o supercondensadors nanoiònics. A l'última part de la tesi, ens centrem en l'efecte de les superfícies i interfícies sobre les propietats dels defectes puntuals. Aquests límits trenquen la simetria translacional del cristall i són propensos a l'acumulació de concentracions més grans de defectes. Des del punt de vista computacional, també requereixen eines especials, començant per la construcció de models estructurals adequats. A la tesi hem desenvolupat aquests tres fluxos de treball ("siesta-defects", "siesta-barriers", and "siesta-surfaces"), discutim els pros i contres de diferents enfocaments per calcular les energies de formació de defectes carregats, discutim les problemàtiques de el càlcul de les migracions de vacants amb el mètode NEB quan utilitzem bases estrictament localitzades, i il·lustrem la combinació de les diferents eines desenvolupades per estudiar l'efecte dels defectes sobre les propietats electròniques de les heteroestructures HfO2/grafè. |
| Resum: |
Abordar la energía de los defectos es útil para comprenderlos e identificarlos en los materiales, un desafío que no se puede lograr únicamente con técnicas experimentales. El objetivo de esta tesis es facilitar el estudio ab-initio de las propiedades de los defectos, en términos de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). Entre las diversas clases de defectos en los materiales, nos enfocamos en los más simples conocidos, que son los defectos puntuales, por ejemplo un solo átomo faltante o una impureza de un solo átomo en el cristal. El objetivo es calcular la energía de estos defectos. Aunque la cantidad de defectos, estructuras y combinación de configuraciones plantean un tremendo desafío desde el aspecto computacional, el desarrollo reciente de nuevas metodologías computacionales de alto rendimiento ofrece un marco que, en conjunto, permiten abordar el problema: tecnología de punta de alto rendimiento. Instalaciones de rendimiento, plataformas para enviar y monitorear miles de cálculos, almacenar la información en bases de datos de búsqueda y flujos de trabajo que automatizan las complejas combinaciones de cálculos DFT necesarios para resolver la estructura electrónica. Con esto en mente, se desarrolló toda la maquinaria necesaria de SIESTA para calcular la energía de los defectos usando tres paquetes de flujo de trabajo particulares en AiiDA, una poderosa plataforma que permite cálculos de alto rendimiento en materiales. Nos enfocamos en dos energías específicas para defectos puntuales: energías de formación y energías de barrera de migración. La energía de formación es la energía requerida para crear el defecto, la cual está relacionada con la probabilidad de tener una cierta concentración de ese defecto dentro del material. En el caso de un defecto cargado, se necesitan consideraciones extra debido a la interacción electrostática de la carga con sus imágenes periódicas. La energía de barrera de migración es la energía mínima requerida para activar el movimiento de difusión del defecto en una dirección particular en el sistema. Esta energía está relacionada con la conductividad iónica, por lo que es de gran interés para aplicaciones industriales como baterías, pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) o supercondensadores nano-iónicos. En la última parte de la tesis, nos centramos en el efecto de las superficies e interfaces en las propiedades de los defectos puntuales. En las superficies e interfaces se rompe la simetría traslacional del cristal y éstos son más propensos a la acumulación de mayores concentraciones de defectos. En la tesis desarrollamos estos tres flujos de trabajo ("siesta-defectos", "siesta-barreras" y "siesta-superficies"), discutimos los pros y los contras de los diferentes enfoques para calcular las energías de formación de defectos cargados, la problemática del cálculo de migraciones de vacantes con el método NEB cuando usamos un conjunto básico estrictamente localizado, e ilustramos la combinación de las diferentes herramientas desarrolladas para estudiar el efecto de los defectos en las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de HfO2/grafeno. |
| Resum: |
Addressing energetics of defects is helpful for understanding and identifying them in materials, a challenge that cannot be accomplished solely with experimental techniques. The objective of this thesis is to facilitate the computational study of defect properties ab initio, in particular from Density Functional Theory (DFT). Among the diverse classes of imperfections in materials, we focus on the simplest one, known as point defects: a single missing atom or a single atom impurity in the pristine crystal for example. The objective is to compute the energetics of these defects. Although the number of defects, structures, and configuration combinations pose a tremendous challenge for these computational approaches, the recent development of high-throughput computational materials offers a framework that, together, enables a route to address the problem: state of the art high-performance facilities, platforms for submitting and monitoring thousands of calculations, storing the information in searchable databases, and workflows that automatize the complex combinations of DFT calculations required to solve the electronic structure. With this in mind, I developed all the required Siesta machinery for computing defects·energetics using three particular workflow packages in AiiDA, a powerful platform that enables high-throughput computations in materials. We focus on two specific energies for point defects: Formation Energies and Migration Barrier Energies. The formation energy is the energy required to create the defect, which is related to the probability of having a certain concentration of that defect within the material. In the case of a charged defect, extra careful considerations are needed due to the electrostatic interaction of the charge with its periodic images. The migration barrier energy is the minimum energy required to activate the movement of diffusion of the defect in a particular direction in the system. This energy is related to ionic conductivity, and thus is of great interest for industrial applications such as batteries, solid oxide fuel cells (SOFC), or nanoionics supercapacitors. In the last part of the thesis, we focus on the effect of surfaces and interfaces on the properties of point defects. These boundaries break the translational symmetry of the crystal and are prone to the accumulation of larger concentrations of defects. From the computational point of view, they also require special tools, starting from the very first step of constructing adequate structural models. In the thesis we developed these three workflows ("siesta-defects", "siesta-barriers", and "siesta-surfaces"), discuss the pros and cons of different approaches to calculate the charged defect formation energies, discuss the problematics of the calculation of vacancy migrations with the NEB method when we use a strictly localized basis-set, and illustrate the combination of the different tools developed to study the effect of defects on the electronic properties of HfO2/Graphene heterostructures. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Drets: |
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Col·lecció: |
Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Defectes ;
Defectos ;
Defects ;
Teoria del funcional de la densitat ;
Teoría del funcional de la densidad ;
Density functional theory ;
Barreres ;
Barreras ;
Barriers ;
Tecnologies |
visitant ::
identificació
