Caracterización cuantica de materiales mediante la teoría de la funcional densidad

Quantum characterization of materials using the density functional theory

La caracterización teórica de materiales, a la luz de la mecánica cuántica, revela aspectos completamente novedosos. Su implementación requiere el conocimiento previo de su estructura cristalina, los átomos que la componen y sus posiciones en ella (primeros principios). Al resolver la ecuación de Schrodinger, es posible conocer la energía del sistema cristalino y con ella el valor del parámetro de red que la minimiza. Con estos se determinan los valores de energía en diferentes direcciones de primera zona de Brillouin o estructura de bandas y, finalmente, esta información conduce a la caracterización mecánica, eléctrica y óptica del material.

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad es viable realizar estudios de las propiedades de diversos materiales mediante métodos de primeros principios, debido a que se ha avanzado mucho en la utilización de herramientas de cómputo, soportadas en un riguroso formalismo teórico. Un método es de primeros principios (de acuerdo con los parámetros de entrada), cuando se tienen en cuenta solamente datos estructurales del material para proveer resultados acerca de sus propiedades electrónicas, a diferencia de los métodos empíricos o semiempíricos, los cuales utilizan resultados previos de un método de primeros principios para producir nuevos resultados. Una característica común de los métodos de primeros principios es la elevada exigencia en capacidad de cómputo, la cual se deriva de los procesos autoconsistentes que se requieren para la obtención de los resultados.

Gran parte de los cálculos de primeros principios para solidos están basados en la teoría de la funcional densidad (Density Functional Theory DFT), la cual se aplica tanto para átomos como para moléculas. En este formalismo, los orbitales electrónicos son soluciones a una ecuación tipo Schrodinger, la cual depende de la densidad electrónica, más que de los orbitales de electrón individuales.

El nitruro de zirconio es un metal de alta dureza y resistente a la corrosión, por lo cual se le utiliza para hacer recubrimientos con películas delgadas sobre superficies de dispositivos tales como brocas y otros elementos que se requieren en trabajos de alto desgaste, utilizando técnicas como evaporación y sputtering.

2. PROPIEDADES ESTRUCTURALES DE ZrN

El nitruro de zirconio (ZrN) forma su estructura cristalina como una red cúbica centrada en las caras con motivo diatómico, con los átomos de zirconio en las posiciones reticulares y en el centro de las caras, como se Observa en la Figura 1.