Theoretical description of electronic excitations in extended systems: beyond the static material model

Abstract

The theoretical description of bistable materials requires dealing with the interplay of various phenomena, like temperature, environmental effects and electron correlation. We developed a procedure to combine the benefits of the molecular dynamics techniques with the accuracy of the ab initio wave function based methods including various models for the surroundings. The combination of these computational methods involved the making of specific software tools. The proposed procedure has been applied successfully, obtaining good agreements with experimental data, on organic molecules in solvent (cytosine tautomers in water), crystalline materials (NiO, LaMnO3 and TTTA) and inorganic spin-crossover compounds (FeII(bpy)3). We achieved a significant improvement in the description of their absorption spectra: including ligand-to-metal and metal-to-metal charge transfer processes, formally dipole forbidden transitions and the broadening of the spectral bands. Moreover, we observe dramatic changes on the electronic structure by incorporating the environmental effects on the theoretical model.

La descripció teòrica de materials biestables requereix el tractament de diversos fenòmens interactuants, com la temperatura, els efectes del medi i la correlació electrònica. S'ha desenvolupat un procediment que combina els beneficis de la dinàmica molecular amb la precisió dels mètodes ab initio basats en la funció d'ona incloent diferents models de l'entorn. La combinació d'aquests mètodes computacionals ha involucrat la creació de programari específic. El procediment proposat ha estat aplicat amb èxit, obtenint bona concordança amb els experiments, a molècules orgàniques en solvent (citosina en aigua), materials cristal•lins (NiO, LaMnO3 i TTTA) i compostos spin-crossover inorgànics (FeII(bpy)3). S'ha assolit una millora significativa en la descripció del seus espectres d'absorció: incloent la transferència de càrrega lligand-metall i metall-metall, les transicions formalment prohibides per dipol i l'eixamplament de les bandes espectrals. A més, s'observen canvis importants en l'estructura electrònica al incorporar els efectes de l'entorn en el model teòric.