Efectos de intercambio y correlación en las propiedades estructurales y electrónicas del TiO2 en la fase rutilo

Exchange and correlation effects on the structural and electronic properties of TiO2 on the rutile phase

En este trabajo, se estudiaron las propiedades estructurales y electrónicas del TiO₂ en la fase rutilo a partir de cálculos de primeros principios. Los efectos de intercambio y correlación electrónica fueron estudiados utilizando funcionales en la aproximación de densidad local (LDA), la aproximación de gradiente generalizado (GGA) de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), Perdew-Burke-Ernzerhof revised for solids (PBEsol), Perdew-Wang 91 (PW91) y revised Perdew-Burke-Ernzerhof (r PBE), y la aproximación de gradiente meta-generalizado (meta-GGA) de Tao-Perdew-Staroverov-Scuseria (TPSS) y revised-TPSS (RTPSS), en el marco de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). Encontramos que el funcional PBEsol proporciona mejores resultados para el cálculo de los parámetros de red (a y c) y las longitudes ecuatorial y axial (d_eq y d_ax), mientras que para la energía de cohesión (E_coh), el módulo volumétrico (B0) y los ángulos (2q y a) los funcionales PBE, rPBE y TPSS, respectivamente, se acercan más a los valores experimentales. Se confirma que el TiO₂ presenta propiedades de semiconductor directo en Γ−Γ.

1. INTRODUCCIÓN

El dióxido de titanio (TiO₂) ha sido estudiado ampliamente en los últimos años, tanto en el campo científico como en el industrial, debido a sus aplicaciones potenciales en la fabricación de una amplia gama de productos tales como: soporte catalizador convencional, sustrato fotocatalítico y materiales fotoelectroquímicos. El dióxido de titanio tiene muchos polimorfos, entre ellos se encuentran, rutilo, anatasa y brookita. Las fases de rutilo y anatasa han sido ampliamente estudiadas en los últimos años por sus aplicaciones en fotocatálisis y fotoelectroquímicos. Mientras que la fase brookita ha sido menos estudiada, debido a que no se utiliza comercialmente y su estructura es relativamente complicada, todo esto ha despertado interés en el estudio de sus propiedades [1, 2]. La fase rutilo posee una estructura tetragonal con grupo espacial P42/mnm y parámetros de red a= 4.587 Å, c= 2.954 Å, y u= 0.305 Å [3], los cuales fueron determinados y verificados usando las técnicas de rayos X [4, 5] y difracción de neutrones [3, 6]. Experimentalmente se ha medido una brecha de energía prohibida directa alrededor de 3.0 eV [3 - 6]. Estudios computacionales pueden proporcionar una base firme para la interpretación de los datos experimentales y arrojar luz sobre la física subyacente de tales sistemas. De hecho, se han reportado cálculos de primeros principios basados en la teoría DFT de parámetros estructurales, energía de cohesión y brecha de energía prohibida [7, 8, 9].