Ab-initio theoretical study of electronic excitations and optical properties in nanostructures

Abstract

Thesis submitted to the University of the Basque Country for the degree of Doctor in Physics.El desarrollo de este proyecto de tesis está basado en el estudio de las propiedades ópticas de nano-estructuras de interés físico por medio de teorías ab initio. Las teorías ab initio nos permiten estudiar una amplia gama de sistemas cambiando solamente unos parámetros que dependen del sistema sin tener que reconsiderar la metodología de trabajo de la teoría. En particular, se ha usado la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) para obtener información sobre la estructura electrónica de los materiales estudiados. Mientras que la Teoría del Funcional de la Densidad Tiempo-Dependiente (TDDFT) nos ha permitido estudiar en detalle como los electrones de dichos materiales se comportan cuando son sometidos a un campo eléctrico. Las dos teorías ab initio, DFT y TDDFT han crecido en popularidad debido a la mayor potencia de los ordenadores y su favorable complejidad computacional, es decir, a que el coste computacional aumenta siguiendo potencias de exponentes relativamente bajos del número de átomo en el sistema. En este proyecto hemos empleado el método y código DFT SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms). SIESTA es un método y código DFT de licencia GPL que se empezó a desarrollar en los años noventa y que todavía tiene una comunidad de desarrolladores que siguen ampliando y mejorando el código. Con SIESTA hemos calculado las propiedades electrónicas de estado del estado de base de los sistemas. Estas propiedades incluyen las curvas de dispersión energía-momento, las energías de los niveles electrónicos, la energía total, la densidad electrónica, la geometría de equilibrio, etc. La propiedades ópticas que han sido el objeto principal de esta investigación han sido calculadas y estudiadas por medio del código MBPT-LCAO (Many Body Perturbation Theory with Linear Combination Atomic Orbitals), un código que todavía no se distribuye al público en general y que está en desarrollo, siendo su principal desarrollador el Dr. Peter Koval. A pesar de que el código MBPT-LCAO está diseñado para trabajar en conjunto con SIESTA, es decir que los ficheros de salida de un cálculo DFT de SIESTA son leídos por MBPT-LCAO como ficheros de entrada para el cálculo TDDFT, es posible usarlo por separado. El código, por medio de la teoría de pertubaciones de muchos-cuerpos y TDDFT, permite calcular el gap de energía, las energías de excitaciones, la densidad inducida, el potencial eléctrico inducido, la corriente inducida, etc. Específicamente, en este trabajo me he centrado en el cálculo y estudio de la polarizabilidad, de la sección óptica, de la densidad electrónica inducida y de la corriente inducida, para sistemas finitos y moléculas. En esta tesis el código MBPT-LCAO ha sido utilizado para calcular sistemas que contienen más de mil átomos.I have to thank the Centro de Fsica de Materiales (CFM-MPC) and the Donostia International Physics Center (DIPC) for the financial support they provided me.Peer reviewe