La simulación ab initio aplicada al estudio de materiales y nanomateriales ha demostrado su gran capacidad para obtener y permitir entender sus propiedades electrónicas, estructurales, dinámicas, etc. El estudio de estas propiedades mediante la teoría del funcional de la densidad, DFT, con aproximaciones como LDA o GGA y otros funcionales abre expectativas muy importantes en diversos campos, entre ellos: ciencia de los materiales y materia condensada. Las simulaciones ab initio son una técnica complementaria al estudio experimental de estas propiedades. El carácter predictivo de estas simulaciones aumenta el interés de este tipo de estudios y combinados con los estudios experimentales permiten ganar profundidad en la comprensión de la física y la química de materiales y nanomateriales bajo condiciones extremas. El objetivo del presente sub-proyecto es el estudio, mediante métodos ab initio, de propiedades electrónicas, estructurales, dinámicas y elásticas de materiales y nanomateriales de interés tecnológico, tales como compuestos ABX4, ABO3, A2X3 y perovskitas, bajo condiciones extremas de presión y temperatura. Todo ello en colaboración con los otros tres proyectos experimentales que forman parte de este proyecto coordinado. Nos proponemos aplicar estos métodos al estudio de las propiedades mencionadas, proporcionando información útil para la síntesis y estudio de las nuevas fases estructurales que pueden aparecer bajo altas presiones, obteniendo también las posibles propiedades exóticas que puedan presentar estas fases. Para la búsqueda de candidatos a fases de alta presión en los diferentes compuestos se usarán distintos métodos, desde métodos aleatorios (random search), a métodos evolutivos de carácter genético y aproximaciones similares. El estudio de nano-cristales, por su complejidad, requerirá implementar técnicas que permitan realizar este tipo de estudios con un gran número de átomos y además simular el efecto de la presión hidrostática en las nanoestructuras. Todo ello supone desarrollar y comprobar el formalismo y las aproximaciones que permitan acometer este tipo de problema. Cuando la complejidad del sistema lo requiera, se tendrán en cuenta los efectos de spin-órbita, o se usarán métodos DFT+U, o funcionales híbridos. Finalmente en la caracterización óptica, en algunos casos, debido al gap estrecho de algunos compuestos, se tendrá que ir más allá de la teoría DFT estándar, utilizando la aproximación GW que nos permitirá además estudiar otras propiedades ópticas de los sistemas analizados. También planteamos analizar la topología de la carga y los aspectos químicos de las transiciones de fase.
Ab initio simulations applied to the study of materials and nanomaterials have proven its ability to understand the electronic, structural, dynamical properties, etc. The study of these properties using the density functional theory, DFT, with approximations like LDA or GGA, and other functionals, open new possibilities in materials science and condensed matter. Currently, ab initio simulations are a complementary technique for the experimental study of these properties. The predictive nature of these simulations increases the interest of combining the simulations with experimental studies to gain insight in the physics and chemistry of these materials and nanomaterials under extreme conditions. The objective of this project is to study, using ab initio methods, electronic, structural, dynamical and elastic properties of materials and nanomaterials with technological interest, like ABX4, ABO3, A2X3, and perovskites compounds, under extreme conditions of pressure and temperature. All this in collaboration with the other three experimental projects that are part of this coordinated research. We intend to apply these methods to the study of the properties mentioned, providing useful information for the synthesis and the study of new structural phases that can occur under high pressures, obtaining also possible exotic properties that may be present in these phases. In order to look for candidates for high-pressure phases we plan to use different search methods based on different techniques, from random search methods to evolutionary genetic algorithms, and similar methods. The study of nano-crystals due to their complexity will require to implement techniques to perform such studies with a large number of atoms and to include the effect of hydrostatic pressure in nanostructures. We will need to improve the formalism and test different approximations to this problem in order to have an affordable method. In some cases the complexity of the system will require the use of more sophisticated approaches, spin orbit effects, or DFT + U methods, and hybrid functionals. The optical characterization of these materials under extreme conditions, in some cases due to the narrow gap of some compounds, will require to go beyond the standard DFT, we will use the GW approximation and we will also study other optical properties of the systems. We also plan to analyze the charge topology to study chemical aspects of phase transitions.