Theoretical Study of Polyoxovanadates: Analysis of structural, magnetic and transport properties

Abstract

Noves aplicacions tecnològiques per a l’electrònica estan sent investigades per la comunitat científica. Tenen com a objectiu cobrir les noves demandes de sistemes electrònics més petits i potents, com ordinadors o telèfons mòbils, presents en la nostra vida diària. Entre la gran varietat de materials candidats que en desenvolupament per a aquests fins, els polioxovanadats (POVs) constitueixen una família prometedora per les seves característiques químiques i estructurals úniques. Han despertat interès tecnològic ja que constitueixen una subclasse dels polioxometal·lats (POMs), una gran família de sistemes moleculars inorgànics pels quals ja existeixen aplicacions en camps com la medicina i la catàlisi, entre altres. També s’estan trobant potencials aplicacions per als POVs en una gran varietat d’àrees com l’enginyeria de materials, l’emmagatzematge d’informació i energia i el magnetisme molecular. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu principal ampliar el coneixement sobre molècules i dispositius prometedors per a la tecnologia punta. Es basa en un treball computacional realitzat sobre una sèrie de sistemes de POVs dels quals es disposa de dades experimentals. El primer bloc de resultats es centra en la conductivitat de dos tipus de POVs: un derivat del clàssic V6O19, amb tots els àtoms de vanadi inicialment oxidats, i l’altre és I@V18O42, que de forma natural presenta electrons metàl·lics de valència no aparellats. El segon bloc de resultats està dedicat a l’estudi en profunditat de l’estructura electrònica i el complex magnetisme de diversos sistemes ‘host-guest’ basats en l’arquitectura del V22O54.

Nuevas aplicaciones tecnológicas para la electrónica están siendo investigadas por la comunidad científica. Tienen como objetivo cubrir las nuevas demandas de sistemas electrónicos más pequeños y potentes, como ordenadores o teléfonos móviles, presentes en nuestra vida diaria. Entre la gran variedad de materiales candidatos que se están desarrollando para estos fines, los polioxovanadatos (POVs) constituyen una familia prometedora por sus características químicas y estructurales únicas. Han despertado interés tecnológico ya que constituyen una subclase de los polioxometalatos (POMs), una gran familia de sistemas moleculares inorgánicos para los que ya existen aplicaciones reales en campos como la medicina y la catálisis, entre otros. También se están encontrando potenciales aplicaciones para los POVs en una gran variedad de áreas como la ingeniería de materiales, el almacenamiento de información y energía y el magnetismo molecular. Esta tesis doctoral tiene como objetivo principal ampliar el conocimiento sobre moléculas y dispositivos prometedores para la tecnología punta. Se basa en un trabajo computacional realizado sobre una serie de sistemas de POVs para de los que se dispone de datos experimentales. El primer bloque de resultados se centra en la conductividad de dos tipos de POVs: uno derivado del clásico V6O19, inicialmente con todos los átomos de vanadio oxidados, y el otro es I@V18O42, que de forma natural presenta electrones metálicos de valencia no apareados. El segundo bloque de resultados está dedicado al estudio en profundidad de la estructura electrónica y el complejo magnetismo de varios sistemas ‘host-guest’ basados en la arquitectura de V22O54.

New technological applications for electronics are being investigated by a large and very active scientific community. These are aimed at covering the new demands for smaller, more powerful electronic systems present in our daily lives, such as computers or mobile phones. Among the great variety of candidate materials being developed for these goals, polyoxovanadates (POVs) constitute a promising family because of their unique chemical and structural characteristics. They have awakened technological interest as they constitute a subclass of polyoxometalates (POMs), a large family of molecular inorganic systems, that have found their way into real-world applications in fields as medicine and catalysis, among others. The POVs are also finding potential applications in a range of areas such as materials engineering, information and energy storage, and molecular magnetism. This Ph.D. thesis is first and foremost aimed at enlarging the knowledge on promising molecules and devices for cutting-edge technology. It is based on computational work done on a series of POV systems for which experimental data is available. It first puts the focus on the conductivity of two POV types: one derived from the classical V6O19, with initially completely oxidized vanadium atoms, and the other is I@V18O42, which naturally features unpaired valence metal electrons. The second part is devoted to the in-depth study of the electronic structure and complex magnetism of several host-guest systems based on the V22O54 architecture.