[ca] Abordar l'energia dels defectes és útil per entendre'ls i identificar-los en els materials, un repte que no es pot aconseguir només amb tècniques experimentals. L'objectiu d'aquesta tesi és facilitar l'estudi computacional de les propietats dels defectes ab initio, en particular fent servir la Teoria del Funcional de la Densitat (Density Functional Theory, DFT). Entre les diverses classes d'imperfeccions dels materials, ens centrem en la més senzilla, coneguda com a defectes puntuals: la manca o impuresa d'un únic àtom en un sistema cristal·lí perfecte, per exemple. L'objectiu és calcular l'energia d'aquests defectes. Tot i que el nombre de defectes, estructures i combinacions configuracionals suposen un gran repte per a les tècniques computacionals, el desenvolupament recent de mètodes computacionals d'alt rendiment ofereix un marc que, en conjunt, permet una ruta per abordar el problema: tecnologia punta en instal·lacions per computació d'alt rendiment, plataformes per enviar i controlar milers de càlculs, emmagatzemar la informació en bases de dades recercables i fluxos de treball que automatitzen les complexes combinacions de càlculs DFT necessàries per resoldre l'estructura electrònica. Tenint en compte això, he desenvolupat tota la maquinària necessària per calcular les propietats energètiques de defectes amb SIESTA mitjançant tres paquets de flux de treball particulars a AiiDA, una plataforma potent que permet càlculs d'alt rendiment en materials. Ens centrem en dues energies específiques per als defectes puntuals: energies de formació i energies de barrera de migració. L'energia de formació és l'energia necessària per crear el defecte, que està relacionada amb la probabilitat de tenir una certa concentració d'aquest defecte dins del material. En el cas d'un defecte carregat, cal tenir en compte consideracions molt acurades a causa de la interacció electrostàtica de la càrrega amb les seves imatges periòdiques. L'energia de barrera de migració és l'energia mínima necessària per activar el moviment de difusió del defecte en una direcció determinada del sistema. Aquesta energia està relacionada amb la conductivitat iònica i, per tant, té un gran interès per a aplicacions industrials com ara bateries, piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) o supercondensadors nanoiònics. A l'última part de la tesi, ens centrem en l'efecte de les superfícies i interfícies sobre les propietats dels defectes puntuals. Aquests límits trenquen la simetria translacional del cristall i són propensos a l'acumulació de concentracions més grans de defectes. Des del punt de vista computacional, també requereixen eines especials, començant per la construcció de models estructurals adequats. A la tesi hem desenvolupat aquests tres fluxos de treball ("siesta-defects", "siesta-barriers", and "siesta-surfaces"), discutim els pros i contres de diferents enfocaments per calcular les energies de formació de defectes carregats, discutim les problemàtiques de el càlcul de les migracions de vacants amb el mètode NEB quan utilitzem bases estrictament localitzades, i il·lustrem la combinació de les diferents eines desenvolupades per estudiar l'efecte dels defectes sobre les propietats electròniques de les heteroestructures HfO2/grafè.

[es] Abordar la energía de los defectos es útil para comprenderlos e identificarlos en los materiales, un desafío que no se puede lograr únicamente con técnicas experimentales. El objetivo de esta tesis es facilitar el estudio ab-initio de las propiedades de los defectos, en términos de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). Entre las diversas clases de defectos en los materiales, nos enfocamos en los más simples conocidos, que son los defectos puntuales, por ejemplo un solo átomo faltante o una impureza de un solo átomo en el cristal. El objetivo es calcular la energía de estos defectos. Aunque la cantidad de defectos, estructuras y combinación de configuraciones plantean un tremendo desafío desde el aspecto computacional, el desarrollo reciente de nuevas metodologías computacionales de alto rendimiento ofrece un marco que, en conjunto, permiten abordar el problema: tecnología de punta de alto rendimiento. Instalaciones de rendimiento, plataformas para enviar y monitorear miles de cálculos, almacenar la información en bases de datos de búsqueda y flujos de trabajo que automatizan las complejas combinaciones de cálculos DFT necesarios para resolver la estructura electrónica. Con esto en mente, se desarrolló toda la maquinaria necesaria de SIESTA para calcular la energía de los defectos usando tres paquetes de flujo de trabajo particulares en AiiDA, una poderosa plataforma que permite cálculos de alto rendimiento en materiales. Nos enfocamos en dos energías específicas para defectos puntuales: energías de formación y energías de barrera de migración. La energía de formación es la energía requerida para crear el defecto, la cual está relacionada con la probabilidad de tener una cierta concentración de ese defecto dentro del material. En el caso de un defecto cargado, se necesitan consideraciones extra debido a la interacción electrostática de la carga con sus imágenes periódicas. La energía de barrera de migración es la energía mínima requerida para activar el movimiento de difusión del defecto en una dirección particular en el sistema. Esta energía está relacionada con la conductividad iónica, por lo que es de gran interés para aplicaciones industriales como baterías, pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) o supercondensadores nano-iónicos. En la última parte de la tesis, nos centramos en el efecto de las superficies e interfaces en las propiedades de los defectos puntuales. En las superficies e interfaces se rompe la simetría traslacional del cristal y éstos son más propensos a la acumulación de mayores concentraciones de defectos. En la tesis desarrollamos estos tres flujos de trabajo ("siesta-defectos", "siesta-barreras" y "siesta-superficies"), discutimos los pros y los contras de los diferentes enfoques para calcular las energías de formación de defectos cargados, la problemática del cálculo de migraciones de vacantes con el método NEB cuando usamos un conjunto básico estrictamente localizado, e ilustramos la combinación de las diferentes herramientas desarrolladas para estudiar el efecto de los defectos en las propiedades electrónicas de las heteroestructuras de HfO2/grafeno.