Origen de la baja simetría (monoclínica) del material Na2CuF4 y sus implicaciones

Abstract

RESUMEN: Durante las últimas décadas ha surgido un gran interés por los materiales que contienen iones de transición d9, lo que se debe en cierta medida a que estos materiales exhiben una particular relación entre su estructura electrónica y geometría, que permite entender las propiedades físicas que presentan. En este trabajo se ha estudiado el sistema Na2CuF4, determinando el origen de su estructura cristalina mediante un análisis de los datos experimentales disponibles basado en simulaciones computacionales de primeros principios, implementadas a través del programa Crystal, que permite calcular la estructura electrónica de sistemas periódicos. Como en la mayoría de los sistemas que contienen este tipo de iones la baja simetría del compuesto Na2CuF4 se ha asociado al efecto Jahn-Teller, un efecto de ruptura espontánea de simetría que aparece en algunas moléculas y sólidos. Debido a esto, el punto de partida de este trabajo ha sido estudiar un sistema en el que se produzca verdaderamente dicho efecto, esto es, que cumpla con las condiciones de simetría y degeneración orbital impuestas por el teorema de Jahn y Teller. Para este objetivo se ha elegido el fluoruro de sodio impurificado con cationes de Cu2+ (NaF:Cu2+). Para encontrar el origen de la baja simetría del sistema Na2CuF4 se ha reconstruido el proceso de distorsión que sufre desde la fase madre de alta simetría hasta la estructura observada experimentalmente, comprobando que la causa de la baja simetría se debe a una inestabilidad ortorrómbica provocada por una constante de fuerza negativa correspondiente a los modos normales b2g y b3g. De esta forma, las simulaciones de primeros principios han permitido estudiar las fases que llevan a la geometría final, pudiendo explicar todos los detalles de la estructura del sistema.

ABSTRACT: Over the last few years, there has been a great deal of interest in materials containing transition d9 ions. These materials exhibit a particular interplay between electronic structure and geometry, which allows us to understand its physical properties. In this dissertation the Na2CuF4 system has been studied, determining the origin of its crystalline structure by means of first-principles simulations together with an analysis of experimental data. First-principles calculations have been implemented by Crystal software, which allows calculating the electronic structure of periodic systems. As in most of systems containing this kind of ions, the low symmetry of Na2CuF4 compound has been associated with the Jahn-Teller effect, a mechanism of spontaneous symmetry breaking that appears in some molecules and solids. For this reason, the starting point of this work has been the analysis of a system in which this e_ect is truly produced, namely that veri_es symmetry and orbital degeneracy conditions imposed by Jahn-Teller theorem. For this purpose, sodium fluoride doped with Cu2+ cations (NaF:Cu2+) has been chosen. In order to _nd the origin of low symmetry of the Na2CuF4 system, the distortion process from high symmetry phase to the experimentally observed structure has been reconstruted, checking that the cause of low symmetry is an orthorhombic instability due to a negative force constant of b2g and b3g local modes. In this way, first-principles simulations enable to study the phases that lead to the final geometry, so that all details of system structure can be explained.