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Resumen: La simetría y la topología de la estructura electrónica de un material pueden afectar fuertemente su respuesta a estímulos externos. Los semimetales de Weyl constituyen una clase de materiales que recientemente se ha mostrado como un rico campo donde explorar este vínculo. Estos materiales, además de tener la estructura de bandas típica de un semimetal, se distinguen por romper la simetrías de inversión espacial o temporal. Esto permite la existencia de cruces accidentales de bandas, denominados puntos de Weyl. En esta charla, primero nos enfocaremos en el material no centrosimétrico BiTeI, para ilustrar como propiedades puramente geométricas asociadas a los puntos de Weyl determinan características de la respuesta Hall [1]. En segundo lugar, hablaremos de fases de Weyl magnéticas. Introduciremos el caso de Co₃Sn₂S₂ para explorar como el magnetismo puede ayudar a aumentar la respuesta termoeléctrica [2]. Por último, presentaremos la predicción de una nueva familia de semimetales de Wey magnéticos y no centrosimétricos basados en tierras raras, con énfasis en las oportunidades que ofrece la ruptura simultánea de inversión temporal y espacial para estudiar distintos efectos quirales en propiedades de transporte electrónico [3].

[1] JI Facio, D Efremov, K Koepernik, JS You, I Sodemann, J van den Brink. Phys. Rev. Letters 121, 246403 (2018).

[2] MP Ghimire, JI Facio, JS You, L Ye, et al. Phys. Rev. Research 1, 032044 (2019).

[3] R Ray, B Sadhukhan, M Richter, JI Facio, J van den Brink. ArXiv:2006.10602 (2020).

Resumen: El modelado de carbonos amorfos porosos es relevante para el área de energía de nuestro país, este material puede representar tanto al material orgánico (kerogen) presente en los yacimientos no convencionales (shale) como a los cátodos utilizados en las baterías de litio/aire. Para estudiar los procesos relevantes para el shale, se ha caracterizado el flujo de metano en función de la topología del poro. Se ha observado el efecto del tamaño, rugosidad y tortuosidad de los mismos, mediante cálculos de dinámica molecular fuera del equilibrio [1][2]. Actualmente, mediante la misma metodología se está trabajando analizando el efecto de grupos funcionales orgánicos (-COOH) presentes en el kerogen. Por otro lado, se han modelado carbones amorfos porosos mediante el método de Liquid Quenched Molecular Dynamics, y se ha caracterizado su estructura. En estos materiales complejos, considerando la topología de los poros y su interconectividad, se está estudiando la difusión de gases mediante dinámica molecular de equilibrio. Esto constituye un primer paso en el estudio de estos materiales como cátodos de baterías litio/aire, en donde las propiedades dinámicas del oxígeno disuelto en el solvente confinado en estos materiales es de relevancia para el desarrollo de estos dispositivos.

[1] M. F. Castez, E. A. Winograd y V. M. Sánchez J. Phys. Chem. C, 121, 28527, 2017.

[2] M. M. Ramírez et al Appl. Nano Mater., 2, 1325, 2019.

Resumen: Durante mucho tiempo, materiales con estructura cristalina compuesta por multicapas han sido ampliamente utilizados en una gran diversidad de aplicaciones tecnológicas.  Por ejemplo, desde hace mucho tiempo el grafito y el sulfuro de molibdeno (MoS₂) se vienen utilizando como lubricantes secos debido a su naturaleza en capas. En estos materiales, los átomos están fuertemente unidos dentro del mismo plano pero se encuentran débilmente unidos por fuerzas de van der Waals entre capas. Esta débil interacción entre capas, nos permite poder separarlas con relativa facilidad hasta el límite de obtener una sola lámina. El aislamiento de una sola monocapa de grafito, conocida como “grafeno” o de MoS₂ han abierto en los últimos años un campo de investigación muy novedoso y vertiginoso debido a las gran variedad de propiedades de estos nuevos materiales llamados hoy: “materiales bidimensionales (2D)”. Se ha encontrado que las propiedades electrónicas y ópticas son radicalmente diferentes a las de sus homólogos tridimensionales. Muchos de éstos estudios se llevan a cabo a través de una sinergia entre simulaciones por computadora y experimentos de alta precisión ya que uno de los retos más importantes en el desarrollo y consolidación de tecnologías utilizando estos materiales 2D, es la de producirlos con altísima calidad.  En esta presentación tomaremos dos materiales 2D como ejemplo, en el cual mostraremos cómo utilizando la sinergia teórico-experimental encontramos  en un primer caso el mecanismo de crecimiento de grafeno de alta calidad. En un segundo ejemplo, analizaremos el MoS₂, uno de los catalizadores de mayor relevancia para la industria petrolera, el cual es utilizado para eliminar azufre del combustible (hidrodesulfuración). En particular veremos los efectos producidos por modificaciones estructurales y geométricas en la estructura electrónica del material 2D.

[1] Patera L.L., Bianchini F., Africh C., Dri C., Soldano G., Mariscal M.M., Peressi M., Comelli G., Science (2018) 359, 1243.

[2] J. Olmos-Asar & M.M. Mariscal, Phys Chem Chem Phys. (2019); 21(34):18660.

[3] F.R. Negreiros, G.J. Soldano, S. Fuentes, T. Zepeda, M.J. Yacamán, M.M. Mariscal, Phys. Chem. Chem. Phys (2019) 21, 24731.

Resumen: Hemos desarrollado un método numérico eficiente para el cálculo de densidades espectrales de impurezas complejas basado en el Grupo de Renormalización con Matriz densidad (DMRG). El método Campo Medio Dinámico (DMFT) es uno de los métodos más usados actualmente para estudiar materiales correlacionados. Sin embargo, como su punto álgido es el cálculo de respuestas dinámicas de una impureza efectiva, requiere de otros métodos para esto. En nuestro grupo hemos adaptado el DMRG para este paso, usándolo para el cálculo preciso de funciones de Green dentro de las iteraciones del DMFT. Esto permitió obtener resultados sobre el eje de energías reales directamente (evitando continuaciones analíticas imprecisas de métodos basados en Monte Carlo), espectros mucho más precisos que con otros métodos, a temperatura cero, a toda escala de energía e interacciones y sin problema de signo fermiónico. Mostraré ejemplos.

Resumen: Los materiales termoelectricos convierten electricidad en calor y viceversa. A lo largo del tiempo han dado lugar a dispositivos de gran utilidad como la celdas Peltier y los refrigeradores termoelectricos. La eficiencia de esa conversion se suele medir a traves de la figura de merito (ZT), que depende de las propiedades electrónicas (coeficiente Seebek y conductividad eléctrica) y vibracionales (conductividad térmica) del material. Cuanto más baja la conductividad térmica, más eficiente es la conversión. Además, dicha cantidad se puede modificar independientemente de las propiedades electrónicas. Por ello, en decadas pasadas se han investigado varias maneras de reducir la conductividad térmica.

En este ultimo tiempo hemos estado investigando este problema por medio de simulaciones computacionales. Primero hemos desarrollado un campo de fuerzas clásico de tipo Coulomb-Buckingham para que reproduzca la conductividad térmica del PbTe con buena precisión. Luego hemos utilizado ese campo de fuerzas para estudiar el efecto de introducir vacancias, intersticiales, y bordes de grano. Estos defectos conducen en la dirección correcta al reducir el camino libre medio para la propagación de las vibraciones y el calor. Sin embargo, dicha reducción ocurre solo para granos de dimensión nanométrica. Armados de esta información, estamos desarrollando un modelo de campo de fases (phase field) para estudiar, a nivel mesoscópico, la interacción entre vacancias y bordes de grano en policristales de PbTe. Resultados preliminares sugieren que, a temperaturas típicas de operación, la dimensión de los granos es suficientemente grande como para que la conductividad térmica se aproxime a los valores de volumen. Este resultado pone en cuestión una de las estrategias más populares, que es la nanoestructuración del material.

Resumen:

Existen muchas aplicaciones para nanoestructuras derivadas del óxido de titanio, una de ellas son las celdas solares de sensibilización espectral (DSSC). En esete caso los semiconductores empleados deben tener buena superficie específica y adecuadas propiedades ópticas, esto posiciona al TiO₂ y titanatos de muy buena forma para la utilización de diferentes nanoestructuras de variadas relaciones de aspecto[1].

En este trabajo se mostrará un trabajo mayormente teórico, que tendrá conexiones a experimentos, en particular para entender la síntesis y la caracterización de nanotubos (NTs) de TiO₂ y titanatos[2-5]. Toda esta información se combina con la obtenida a partir de simulación computacional dónde se conoció la estructura y morfología de los NTs  y se determinaron las propieades electrónicas más relevantes[6-9].

[1] R. Faccio, L. Fernández-Werner, H. Pardo, A.W. Mombrú, Recent Patents on Nanotechnology, 5 (2011) 46-61.

[2] F. Pignanelli, L. Fernández-Werner, M. Romero, D. Mombrú, M.A. Tumelero, A.A. Pasa, E. Germán, R. Faccio, Á.W. Mombrú, Mater. Res. Bull., 106 (2018) 40-48.

[3] M. Esteves, L. Fernández-Werner, F. Pignanelli, B. Montenegro, M. Belluzzi, M. Pistón, M.R. Chialanza, R. Faccio, Á.W. Mombrú, Ceram. Int., (2018).

[4] L. Fernández-Werner, F. Pignanelli, B. Montenegro, M. Romero, H. Pardo, R. Faccio, Á.W. Mombrú, Journal of Energy Storage, 12 (2017) 66-77.

[5] L. Fernández-Werner, R. Faccio, A. Juan, H. Pardo, B. Montenegro, Á.W. Mombrú, Appl. Surf. Sci., 290 (2014) 180-187.

[6] E. German, R. Faccio, A.W. Mombrú, Appl. Surf. Sci., 428 (2018) 118-123.

[7] L. Fernández-Werner, E.A. González, R. Faccio, Á.W. Mombrú, J. Phys. Chem. C, 122 (2018) 3363-3370.

[8] E. German, R. Faccio, Á.W. Mombrú, Appl. Surf. Sci., 426 (2017) 1182-1189.

[9] E. German, R. Faccio, A.W. Mombrú, Journal of Physics Communications, 1 (2017) 055006.

Resumen:

Los tri-haluros metal-orgánicos con estructura de perovskita han revolucionado la investigación en celdas solares fotovoltaicas. Las celdas solares basadas en estos materiales superaron la barrera del 20% de eficiencia tras muy pocos años de desarrollo. En esta charla se presentan las propiedades fundamentales de estos materiales, los hitos en el desarrollo de celdas solares basados en estos y los desafíos existentes. Finalmente, se presentarán algunas investigaciones teóricas efectuadas por el autor y colaboradores, sobre el yoduro de plomo-metilamonio (CH₃NH₃PbI₃), material prototipo de esta familia.

Resumen:

Mediante cálculos DFT de primeros principios hemos estudiado la dinámica de red del ferroeléctrico con puentes de hidrógeno KH₂PO₄ (KDP) y de su análogo deuterado DKDP. Se realizó un análisis detallado de la calidad de diferentes funcionales de intercambio y correlación, incluyendo o no correcciones de van der Waals (vdW) y en forma aproximada efectos nucleares cuánticos, comparando los resultados con datos estructurales. Se determina que los resultados para el funcional de vdW no local vdW-DF son los que tienen el mejor acuerdo con los datos experimentales para las geometrías de los puentes de H en ambos compuestos. Mediante cálculos ab initio con este funcional, determinamos los fonones en el centro de la zona de Brillouin para las fases paraeléctrica (PE) y ferroeléctrica (FE) que resultan en buen acuerdo con datos de mediciones Raman e infrarrojas. También se obtienen las curvas de dispersión fonónicas en la fase FE, las densidades de estado fonónicas total y por átomo, y el calor específico y la temperatura efectiva de Debye, en muy buen acuerdo estas últimas con los correspondientes datos experimentales. Las bandas fonónicas y los modos en el centro de la zona de Brillouin fueron clasificados acorde a sus patrones de vibración. Las bandas de mayor frecuencia son asignadas a los modos “stretching” y “bending” asociados al protón en los puentes de hidrógeno. Los modos moleculares internos que involucran a los fosfatos están repartidos en dos bandas en el rango intermedio de frecuencia, mientras que la banda de más baja frecuencia involucra desplazamientos del potasio. Estas asignaciones para las bandas calculadas están en buen acuerdo general con los espectros Raman e infrarrojo observados. Los modos del centro de zona muestran dos tipos de inestabilidades en la fase PE. Una está relacionada con el modo blando FE polarizado a lo largo del eje c del cristal, mientras que la otra inestabilidad es un modo doblemente degenerado polarizado en el plano basal que daría lugar a una fase hipotética antiferroeléctrica. Determinamos que el modo FE acopla fuertemente con un modo óptico stretching de las unidades K⁺ y H₂PO_4- en concordancia con el análisis del espectro infrarrojo observado cerca de la transición de fase. También hallamos que el modo FE acopla fuertemente con un modo de rotación de los fosfatos que modula la distancia O-O y determina la barrera para la transferencia protónica. Este modo de rotación tendría relevancia en el efecto geométrico (expansión) de los puentes de H con la deuteración. El hallazgo de estos acoplamientos sugiere que un modelo mínimo para describir efectos isotópicos en la transición de fase en KDP debería incluir al menos estos tres modos acoplados.

Resumen:

Los materiales que combinan un comportamiento semiconductor con un comportamiento magnético ofrecen la posibilidad de controlar el espín en los portadores de carga, lo cual es de gran interés en la industria de los dispositivos espintrónicos. Se ha demostrado que, bajo ciertas condiciones, el dopaje con elementos no magnéticos de semiconductores con band-gap ancho, permite establecer una configuración de espín local no nulo, que involucra los orbitales p del elemento dopante. En esta charla se presentaran resultados predictivos sobre el comportamiento magnético del monosulfuro de estaño (SnS) dopado con aluminio. Para dicho estudio, se consideraron diferentes simetrías cristalinas en el SnS, y se analizaron las condiciones de estabilidad para diferentes configuraciones de espín, así como el rango de interacción entre los momentos magnéticos formados por dichos dopantes. Los resultados fueron obtenidos dentro del marco de la teoría de la funcional densidad, utilizando un esquema basado en pseudopotenciales, y considerando la funcional de intercambio-correlación descrita por la aproximación del gradiente generalizado (GGA), dentro de formalismo de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE).

Resumen: Las baterías de Li-Aire (LABs) son un dispositivo prometedor para el almacenamiento de energía, con una densidad de energía específica aproximadamente un orden de magnitud mayor que el de las baterías de Li-ion actuales [1], Sin embargo, su desarrollo práctico ha sido obstaculizado por diferentes limitaciones como: los altos sobre-potenciales de recarga, la baja capacidad de descarga y la baja ciclabilidad. Una de las mayores limitaciones es la naturaleza aislante del peróxido de litio, Li₂O₂, principal producto de descarga de las LABs.Experimentos recientes indican que el dopaje con Cl aumenta la conductividad iónica del peróxido de Li, aunque en mucha menor medida de lo esperado si se asume al Cl como un dopante donor[2]. Posteriormente, se ha mostrado que la adición de cloruro de litio, LiCl, al electrolito de la batería aumenta su capacidad de descarga mientras que no se observa dicho aumento con otros halógenos. Este hecho fue atribuido a un incremento en la conductividad del Li₂O₂al ser dopado con Cl, pero aún el mecanismo responsable de este efecto no es claro[3]. En este trabajo realizamos cálculos de primeros principios para estudiar los defectos intrínsecos (vacancias de Li y polarones) y el efecto de los diferentes halógenos (F, Cl, Br, I) como defectos sustitucionales en el Li₂O_2.Calculamos las energías de formación de los distintos defectos e impurezas, las barreras de activación y su coeficiente de difusión para poder interpretar el transporte de carga observado en los experimentos. Nuestros resultados indican que los halógenos sustituyen un dímero de oxígeno y que la configuración más estable no da lugar a estados metálicos ni polarones que aumenten la conductividad electrónica. Mostramos que los halógenos no se comportantan como dopantes donores y esto explica el magro aumento de la conductividad iónica observada experimentalmente. Por otro lado, no observamos un comportamiento especial del Cl respecto del resto de los halógenos tal como se reportó en la Ref. [3]. De hecho, nuestros resultados indican que en realidad sería el F el dopante con más chances de mejorar la conductividad iónica del Li₂O₂, sugiriendo que la mejora observada en la capacidad de descarga exclusivamente cuando se introduce LiCl, se debe a razones extrínsecas al producto de descarga.

[1] C. Luntz, B. D. McCloskey, Chem. Rev., 114, 11721(2014).

[2]O. Gerbig , R. Merkle , J. Maier , Adv. Mater., 25 ,3129 (2013 ).

[3] S. Matsuda, Y. Kubo, K. Uosaki, K. Hashimoto and S. Nakanishi, Phys. Chem. C 120, 13360 (2016).

Resumen:

En esta charla se presentará el modelado mediante dinámica molecular de flujo de metano en nanoporos de carbono, de importancia para yacimientos no convencionales tipo shale. En particular en este trabajo se determina el flujo en función del tamaño y características topológicas del poro, y se relaciona con el flujo obtenido a partir de la teoría del régimen del continuo; actualmente utilizado en la industria para caracterizar la fluidodinámica del reservorio. Por otro lado, se expondrá el método de cálculo (FEP) empleado dentro de la dinámica molecular con el fin de obtener la energía libre de hidratación de agua en un solvente orgánico (DME) y su relación con el potencial de reacción presente en las baterías de litio/aire.

Resumen: En esta charla presentaremos una descripción breve de los problemas que estamos abordando en el área de energías renovables y catálisis, los métodos empleados, y discusión de algunos resultados. En particular, nos referiremos a fenómenos interfaciales en las baterías de litio-ion y litio/azufre, por ejemplo las consecuencias de la extrema reactividad del electrodo de litio, y la correlación entre eventos que suceden en la superficie de los dos electrodos (ánodo y cátodo) en contacto con el electrolito.  En el área de catálisis, discutiremos cómo la estructura y la composición del catalizador cambian durante la reacción.

Resumen: En esta charla se presentan los resultados obtenidos del estudio con simulaciones numéricas empleando el código D-AMPS (New Developments – Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) de diferentes aspectos del transporte eléctrico en estructuras simples p-i-n (o n-i-p) de silicio amorfo hidrogenado (a-Si-H) bajo condiciones de estado estacionario. Los resultados obtenidos encuentran aplicación en el modelado y caracterización de celdas solares de simple y múltiple juntura siendo las últimas parte del grupo denominado de tercera generación.

Resumen: La Teoría de la Funcional Densidad (DFT) es ampliamente usada en el ámbito de la materia condensada debido a su potencialidad para determinar y/o predecir diferentes propiedades de materiales. Estos cálculos han tenido un gran éxito para la predicción y comprensión de diferentes propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de los sólidos. Sin embargo, las aproximaciones usualmente empleadas (LSDA y GGA) son insuficientes en muchos casos y varias deficiencias aparecen. Una de ellas es la subestimación del band-gap de semiconductores. De hecho, uno de los mayores desafíos de la DFT es predecir correctamente el band-gap de sistemas semiconductores, para lo cual han sido propuestas diferentes aproximaciones que van “más allá” de las aproximaciones (semi)locales LDA y GGA, tales como DFT+U, meta-GGA, funcionales híbridas, aproximación GW, etc., pero con el inconveniente que son computacionalmente demandantes. Una alternativa que compensa la precisión de los resultados y la demanda de recursos computacionales, es el uso del Potencial de intercambio de Becke-Johnson (BJ) modificado por Tran-Blaha (TB-mBJ).

En el presente trabajo analizaremos brevemente las diferentes parametrizaciones del potencial TB-mBJ, realizadas a partir de la comparación con datos experimentales del band-gap de una serie diferentes compuestos semiconductores. Luego, presentamos los resultados calculados del band-gap de los compuestos semiconductores Sn_1−xTi_xO₂ en función de x, considerando las diferentes parametrizaciones del potencial de TB-mBJ propuestas.

Los resultados obtenidos difieren aún de los valores experimentales reportados, lo cual nos conlleva a proponer una nueva parametrización del potencial de TB-mBJ que depende básicamente de la cantidad de electrones 3d-Ti presente en el sistema de estudio. Los cálculos ab-initio considerando el potencial TB-mBJ, han sido realizados en el contexto del método FP-LAPW implementado en el código Wien2k. Además, los valores obtenidos del band-gap en función de x, han sido comparados con cálculos del band-gap usando el método de Pseudopotenciales y la funcional híbrida HSE06 implementado en el código Quantum-Espresso y además con diferentes datos experimentales obtenidos de la bibliografía.

Resumen: El biogas producido a partir de la descomposición anaeróbica de material orgánico posee concentraciones casi iguales de metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂). El reformado seco de metano (DRM) combina estos gases generando monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂).
Es por ello que el DRM ha recibido un mayor interés debido a que es un proceso atractivo y prometedor para la conversión de gases de efecto invernadero en gas de síntesis (syngas) o como proceso previo a la fabricación de numerosos productos químicos.
En la actualidad hay dos cuestiones clave que deben abordarse para optimizar el proceso de DRM para aplicaciones industriales: 1. Mejorar la activación de CH₄ y de CO₂ y 2. Mitigar la desactivación por la deposición de carbono que se incrementa debido a las altas temperaturas (mayores a 800 K) necesarias para activar la reacción.
En esta charla pretendo mostrar nuestro reciente trabajo teórico-experimental que reporta el comportamiento de un catalizador de Ni-CeO₂. Dónde la fase activa consiste en pequeñas nanopartículas de níquel disperso sobre la superficie de ceria parcialmente reducida. Los experimentos de espectroscopía de fotoelectrones de rayos-x (XPS) a presión ambiente, indican que el metano se disocia sobre el Ni/CeO₂ a bajas temperaturas (300 K), generando especies CH_x y CO_x en la superficie del catalizador. La clave de esto reside en las interacciones fuertes del metal-soporte que activan al Ni para la disociación del metano. Los resultados teóricos obtenidos a través de cálculos de primeros principios confirman los resultados experimentales prediciendo una notable disminución en la barrera de activación del metano, la cual pasa de 0.9 eV en Ni(111) a solamente 0.15 eV en Ni/CeO_2-x(111).
En este trabajo no solo se demostró que este catalizador mejora la activación del metano, sino que también no se detectan señales de especies carbonosas residuales bajo las condiciones experimentales estudiadas. Esto indica que el catalizador de Ni/CeO₂ propuesto optimiza el reformado seco de metano de una manera limpia y eficiente.