Parametrización y aplicación de un potencial de muchos cuerpos y transferencia de carga para Fe y FeF2
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Date
2017
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Abstract
Las simulaciones computacionales a nivel atómico juegan un papel importante en el desarrollo, diseño y optimización de materiales, así como en la comprensión de sus propiedades estructurales, físicas y químicas. Los mejores enfoques que actualmente existen para describir las interacciones atómicas se basan en las descripciones mecánico-cuánticas, pero son computacionalmente muy costosas y su aplicación generalmente se limita a situaciones en las que el número de átomos es pequeño. Para estudiar sistemas de mayor tamaño se utilizan descripciones empíricas como el potencial COMB (carga optimizada de muchos cuerpos) que describe la interacción de átomos cargados, tomando en cuenta la posible transferencia de carga. Esto es importante principalmente en el estudio de sistemas iónicos, como los óxidos y los halogenuros, cuando se quiere investigar sus notables propiedades como catalizadores, disolventes, refrigerantes, etc. En el caso particular del Fluoruro de Hierro (FeF2), un sistema iónico antiferromagnético, ha sido usado también para la investigación básica del fenómeno de exchange bias en acoplamiento con un ferromagneto como el hierro (Fe). Este fenómeno depende fuertemente de la estructura geométrica y magnética de la interfaz generada en el acoplamiento del FeF2 y el Fe, cuya información no es fácil de obtener desde medidas experimentales. A nivel atómico este acoplamiento puede modificar la distribución de carga de las superficies de cada uno de los materiales en contacto, así como también podría tener migración de átomos de la superficie Fe a la superficie de FeF2, generando una magnetización no compensada que es necesaria para obtener el efecto de anisotropía unidireccional responsable del fenómeno de exchange bias. Por lo tanto, para simular estos sistemas a través de Monte Carlo o simulaciones de dinámica molecular, es importante considerar la transferencia de carga en el potencial de interacción utilizado para describir el sistema. En este trabajo se propone una parametrización para el potencial COMB, aplicados a sistemas compuestos por Fluoruro de Hierro y Hierro metálico (FeF2/Fe). El potencial empírico toma en cuenta los efectos de la transferencia de carga y las interacciones de muchos cuerpos dependientes del ambiente químico local que experimentan los átomos. El potencial es parametrizado pormedio de propiedades experimentales reportadas y/o calculadas desde primeros principios de las fases estables para Fe y FeF2 como: energía de disociación para moléculas de Fluor neutra F2 e ionizada F2−1, parámetros de red para el estado fundamental Fe y FeF2 y constantes elásticas. Esta parametrización es probada con simulaciones de dinámica molecular sobre estructuras macroscópicas cristalinas, superficies, nanopartículas y agregados atómicos. Principalmente se realiza un detallado estudio de la interfaz de FeF2/Fe, mostrando que existe difusión atómica desde el material antiferromagnético (FeF2) hacia el material ferromagnético (Fe). El tamaño de la interfaz obtenida es de 1.4 nm y se observa una fase amorfa que es activada por el proceso de disminución de la temperatura desde 1500K hasta 10K.
Description
Tesis (Doctor en Física)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2017