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Propiedades electrónicas y estructurales del oxnitruro tipo Perovskita SrTaO3−xNx desde primeros principios

Resumen

Los oxinitruros con estructura perovskita y de fórmula ABO3−xNx son una familia de materiales con múltiples aplicaciones tecnológicas. En la fase de alta simetría, su estructura cristalina es cúbica con grupo de simetría Pm3m, los cationes A y B se ubican en las esquinas y en el centro del cubo, respectivamente, mientras que los aniones se sitúan en las caras del mismo. La diferencia de electronegatividad, polarizabilidad, radio iónico y grado de oxidación entre O y N, así como el ordenamiento aniónico de estos dos en la celda unitaria, son características muy importantes para la aparición de fases exóticas de la materia dadas por el rompimiento de simetría espacial y temporal. De hecho, la distribución de los sitios aniónicos dentro de la estructura es clave para el diseño de las propiedades deseadas en este tipo de oxinitruros; existen cuatro tipo de clasificaciones de distribución aniónica diferentes convencionalmente llamadas cis, trans, mer y fac. En este proyecto de investigación analizamos cómo afecta el contenido de nitrógeno a la estructura iónica, electrónica y magnética del oxinitruro tipo perovskita SrTaO3−xNx. Partimos de considerar todas las diferentes formas posibles en las cuales los aniónes de O y N se pueden organizar dentro de la celda. Después, a partir de la metodología de desorden por ocupación de sitio, logramos reducir el espacio configuracional a únicamente aquellas estructuras independientes e inequivalentes por simetría. Posteriormente, realizamos cálculos de primeros principios enmarcados en la Teoría Funcional de la Densidad (DFT). Específicamente, llevamos a cabo cálculos de relajación estructural y autoconsistentes para optimizar la estructura iónica y electrónica. Encontramos que al reemplazar oxígeno por nitrógeno dentro la estructura, esta se comprime y sus propiedades eléctricas y magnéticas evolucionan de conductor a aislante y de magnético a no magnético, respectivamente. Entendimos que estos resultados estan directamente correlacionados con el estado electrónico adicional que el nitrógeno puede recibir y/o compartir con el tántalo. Adicionalmente, por medio del análisis de la densidad de estados, demostramos la naturaleza mixta iónica-covalente de los enlaces presentes en estos oxinitruros.