Transporte Cuántico y Magnetismo en Sistemas Inorgánicos: Un Estudio Computacional

Abstract

En esta tesis doctoral se presentan estudios computacionales basados en métodos de estructura electrónica de propiedades magnéticas en sistemas inorgánicos moleculares y extendidos.

La primera sección incluye un trabajo sobre transporte electrónico a través de uniones moleculares constituidas por complejos de transición, se empleó la metodología de las funciones de Green fuera del equilibrio en combinación con cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad (NEGF+DFT). En el artículo se analizaron las propiedades de transporte electrónico polarizado de espín a través de un compuesto con transición de espín de hierro(II).

El segundo bloque está compuesto por tres trabajos acerca de la modulación de las propiedades de transición de espín en redes metalo-orgánicas porosas tipo clatrato de Hofmann. Los estudios teóricos fueron realizados mediante cálculos DFT periódicos. Se analizó la red {[FeII(pirazina)][PtII(CN)4]} en presencia de diferentes moléculas pequeñas (disulfuro de carbono, dióxido de azufre, tiourea, tiofeno, pirrol, furano, pirazina y yodo). Las distorsiones geométricas calculadas para la red en presencia de las diferentes moléculas huésped fueron comparadas con las estructuras determinadas mediante difracción de rayos X. Las modificaciones en la temperatura experimental de transición de espín fueron comparadas con los cambios en energía electrónica calculados. La naturaleza de las interacciones huésped-anfitrión fue estudiada a través del cálculo de energías de interacción y análisis de la densidad de estados (curvas COD).

El tercer bloque trata sobre propiedades magnéticas en compuestos de coordinación de lantánidos. Los estudios teóricos fueron realizados mediante cálculos CASSCF+RASSI. En el primer trabajo se investigó un grupo de veinte compuestos mononucleares de disprosio(III) que presentan comportamiento de imán unimolecular (SMM), SMM inducido por campo o ausencia de este comportamiento. Las propiedades magnéticas calculadas comparadas con información experimental. El efecto del entorno de coordinación en las propiedades SMM fue estudiado mediante medidas continuas de forma y cálculos CASSCF+RASSI en estructuras modelo, a partir de esta información se sugirieron la condiciones que favorecen el comportamiento SMM. En los otros trabajos de este bloque se investigan las propiedades magnéticas de compuestos polinucleares de lantánidos a través de cálculos CASSCF+RASSI y ajustes de constantes de acoplamiento mediante el modelo de Lines, se discutió acerca del papel de la anisotropía magnética en el comportamiento SMM y de las contribuciones de intercambio y dipolar en la interacción entre centros magnéticos.

En la cuarta sección se presentan tres artículos sobre interacciones de intercambio en complejos polinucleares de metales de transición y lantánidos estudiados a través de métodos DFT (aproximación Broken Symmetry), las propiedades magnéticas de los compuestos (curvas de magnetización y susceptibilidad) fueron simuladas a través de la diagonalización del Hamiltoniano de Heisenberg-Dirac-Van Vleck y métodos de Monte Carlo cuántico. El primer artículo trata de las propiedades magnetocalóricas de compuestos polinucleares de gadolinio con metales de transición. El signo y la magnitud de las constantes de acoplamiento calculadas fueron comparados con los valores ajustados a datos experimentales y relacionados con la geometría y coordinación de los caminos de intercambio. El efecto de las interacciones de intercambio respecto a las propiedades magnetocalóricas de los compuestos fue evaluada a través del cálculo de la variación de la entropía magnética. Finalmente, las condiciones que favorecen la aparición de un efecto magnetocalórico pronunciado fueron discutidas. En el segundo y tercer trabajo se comparan las propiedades magnéticas experimentales y calculadas de un complejo de cobre y otro de hierro. Las constantes de acoplamiento fueron analizadas en función la geometría y tipo de grupos puente a través de correlaciones magnetoestructurales conocidas.

This thesis presents theoretical studies based on electronic structure methods about magnetic properties of molecular and extended inorganic systems.

First section presents an article about electronic transport in molecular junctions based on coordination compounds. Calculations were performed employing the Non-Equilibrium Green’s Functions in conjunction with DFT method. The study discusses the magnetotransport properties of an iron(II) spin-crossover complex.

Second block deals with tunability of spin crossover properties in a porous metalorganic framework by small molecule absorption. The systems were modeled employing DFT calculations. Eight different guest moleclules were considered (CS2, I2, furan, thiourea, SO2, pyrazine, thiophene and pyrrole). Changes in experimental spin transition temperature were related with differences in electronic energy between spin states. Specific host-guest interactions were studied by interaction energy calculations and Crystal Orbital Displacent curves.

Third section focus on magnetic properties of lanthanide complexes calculated by the CASSCF+RASSI method. The first article analyzes the single molecule magnet (SMM) properties of 20 mononuclear disprosium(III) complexes. The calculated magnetic parameters were compared with published AC susceptibility measurements. The effect of the coordination environment on SMM properties was further studied by model systems. Favorable environments for enhancing SMM behavior are suggested. The other three articles of this section deal with magnetic properties of polynuclear lanthanide complexes. The role of anisotropy on SMM properties and the nature of interactions between magnetic centers (exchange and dipolar) are discussed.

The last block is about exchange interactions in polynuclear complexes. Coupling constants were calculated by means of DFT calculations (Broken Symmetry approximation). Simulated susceptibility and magnetization curves were obtained by exact diagonalization of the spin Hamiltonian and quantum Monte Carlo methods. The first work of this section is about the influence of exchange on magnetocaloric properties of gadolinium compounds. The magnitude of magnetocaloric effect was evaluated by the calculation of the magnetic entropy change. Favorable conditions for enhancing magnetocaloric response are discussed. Las two articles focus on magnetic exchange in polynuclear transition metal compounds. Calculated coupling constants were analyzed in terms of geometry through established magnetostructural correlations.