Estudio desde primeros principios de mecanismos de apantallado del campo de depolarización en condensadores nanométricos

Résumé

Esta tesis doctoral aborda el estudio de los mecanismos de apantallado del campo de depolarización en condensadores nanométricos mediante cálculos desde primeros principios. Esta tesis está motivada por el enorme desarrollo que ha experimentado en los últimos años el crecimiento de películas ultradelgadas. Las técnicas de crecimiento y caracterización de este tipo de sistemas han alcanzado precisiones a nivel atómico, lo que ha dado lugar al descubrimiento de multitud de nuevos fenómenos y posibles aplicaciones (dominios de cierre y vórtices de la polarización en materiales ferroeléctricos, gases de electrones bidimensionales, paredes de dominio conductoras en materiales multiferroicos, etc.). Muchos de estos fenómenos requieren nuevos modelos para ser interpretados y es en este punto donde los cálculos desde primeros principios juegan un papel esencial. Todos los nuevos fenómenos que se están estudiando en láminas ultradelgadas dependen enormemente de las propiedades de las interfases entre diferentes materiales, y una de las propiedades más importantes es el apantallado de cargas que aparecen en las interfases debido a la polarización en alguno de los materiales, al alineamiento de los niveles de Fermi, etc. A lo largo de esta tesis se estudian las propiedades de diferentes mecanismos de apantallado con el fin de elaborar modelos que ayuden a interpretar resultados experimentales y a predecir nuevos fenómenos que puedan llegar a observarse. Gran parte de este estudio se centra en el caso particular de los condensadores ferroeléctricos en los que los mecanismos de apantallado tienen una enorme trascendencia. En este tipo de sistemas la polarización espontánea del ferroeléctrico provoca la aparición de cargas de polarización en la superficie o la interfase de la lámina delgada. En ausencia de un mecanismo que apantalle estas cargas, el campo de depolarización resultante haría que el sistema se volviese paraeléctrico. En esta tesis se estudian en gran detalle los dos mecanismos de apantallado más importantes en condensadores ferroeléctricos nanométricos: la ruptura en dominios de polarización y el apantallado por cargas libres en electrodos. Además se analizan las propiedades de superredes ferroeléctrico/ferroeléctrico incipiente, en las que el acoplamiento entre modos polares y no polares juega un papel esencial. Se estudia como este acoplamiento se ve modificado por el strain epitaxial y se analiza en detalle el balance energetico entre las fases modominio y polidominio y sus propiedades.