Phonon spectra and thermodynamic properties of rare gas solids based on empirical and semi-empirical (ab initio) two-body potentials : a comparative study /

We study the phonon dispersion, cohesive and thermal properties of raxe gas solids Ne, Ar, Kr, and Xe, using a variety of potentials obtained from different approaches; such as, fitting to crystal properties, purely ab initio calculations for molecules and dimers or ab initio calculations for solid crystalline phase, a combination of ab initio calculations and fitting to either gas phase data or sohd state properties. We explore whether potentials derived with a certain approaxih have any obvious benefit over the others in reproducing the solid state properties. In particular, we study phonon dispersion, isothermal ajid adiabatic bulk moduli, thermal expansion, and elastic (shear) constants as a function of temperatiue. Anharmonic effects on thermal expansion, specific heat, and bulk moduli have been studied using A^ perturbation theory in the high temperature limit using the neaxest-neighbor central force (nncf) model as developed by Shukla and MacDonald [4]. In our study, we find that potentials based on fitting to the crystal properties have some advantage, particularly for Kr and Xe, in terms of reproducing the thermodynamic properties over an extended range of temperatiures, but agreement with the phonon frequencies with the measured values is not guaranteed. For the lighter element Ne, the LJ potential which is based on fitting to the gas phase data produces best results for the thermodynamic properties; however, the Eggenberger potential for Ne, where the potential is based on combining ab initio quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations, produces results that have better agreement with the measured dispersion, and elastic (shear) values. For At, the Morse-type potential, which is based on M0ller-Plesset perturbation theory to fourth order (MP4) ab initio calculations, yields the best results for the thermodynamic properties, elastic (shear) constants, and the phonon dispersion curves.

Fluorescence spectra and ab initio theoretical studies of HCOOH /

A fluorescence excitation spectrum of formic acid monomer (HCOOH) , has been recorded in the 278-246 nm region and has been attributed to an n >7r* electron promotion in the anti conformer. The S^< S^ electronic origins of the HCOOH/HCOOD/DCOOH/DCOOD isotopomers were assigned to weak bands observed at 37431.5/37461.5/37445.5/37479.3 cm'''. From a band contour analysis of the 0°^ band of HCOOH, the rotational constants for the excited state were estimated: A'=1.8619, B'=0.4073, and C'=0.3730 cm'\ Four vibrational modes, 1/3(0=0), j/^(0-C=0) , J/g(C-H^^^) and i/,(0-H^yJ were observed in the spectrum. The activity of the antisymmetric aldehyde wagging and hydroxyl torsional modes in forming progressions is central to the analysis, leading to the conclusion that the two hydrogens are distorted from the molecular plane, 0-C=0, in the upper S. state. Ab initio calculations were performed at the 6-3 IG* SCF level using the Gaussian 86 system of programs to aid in the vibrational assignments. The computations show that the potential surface which describes the low frequency OH torsion (twisting motion) and the CH wagging (molecular inversion) motions is complex in the S^ excited electronic state. The OH and CH bonds were calculated to be twisted with respect to the 0-C=0 molecular frame by 63.66 and 4 5.76 degrees, respectively. The calculations predicted the existence of the second (syn) rotamer which is 338 cm'^ above the equilibrium configuration with OH and CH angles displaced from the plane by 47.91 and 41.32 degrees.

Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Etude ab initio du pnicture de fer supraconducteur LaOFeAs

Le présent mémoire traite de la description du LaOFeAs, le premier matériau découvert de la famille des pnictures de fer, par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus particulièrement, nous allons exposer l’état actuel de la recherche concernant ce matériau avant d’introduire rapidement la DFT. Ensuite, nous allons regarder comment se comparent les paramètres structuraux que nous allons calculer sous différentes phases par rapport aux résultats expérimentaux et avec les autres calculs DFT dans la littérature. Nous allons aussi étudier en détails la structure électronique du matériau sous ses différentes phases magnétiques et structurales. Nous emploierons donc les outils normalement utilisés pour mieux comprendre la structure électronique : structures de bandes, densités d’états, surfaces de Fermi, nesting au niveau de Fermi. Nous tirerons profit de la théorie des groupes afin de trouver les modes phononiques permis par la symétrie de notre cristal. De plus, nous étudierons le couplage électrons-phonons pour quelques modes. Enfin, nous regarderons l’effet de différentes fonctionnelles sur nos résultats pour voir à quel point ceux-ci sont sensibles à ce choix. Ainsi, nous utiliserons la LDA et la PBE, mais aussi la LDA+U et la PBE+U.

Étude ab initio des propriétés électroniques de polymères conjugués et de cristaux moléculaires

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Calculs ab initio de structures électroniques et de leur dépendance en température avec la méthode GW

Cette thèse porte sur le calcul de structures électroniques dans les solides. À l'aide de la théorie de la fonctionnelle de densité, puis de la théorie des perturbations à N-corps, on cherche à calculer la structure de bandes des matériaux de façon aussi précise et efficace que possible. Dans un premier temps, les développements théoriques ayant mené à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), puis aux équations de Hedin sont présentés. On montre que l'approximation GW constitue une méthode pratique pour calculer la self-énergie, dont les résultats améliorent l'accord de la structure de bandes avec l'expérience par rapport aux calculs DFT. On analyse ensuite la performance des calculs GW dans différents oxydes transparents, soit le ZnO, le SnO2 et le SiO2. Une attention particulière est portée aux modèles de pôle de plasmon, qui permettent d'accélérer grandement les calculs GW en modélisant la matrice diélectrique inverse. Parmi les différents modèles de pôle de plasmon existants, celui de Godby et Needs s'avère être celui qui reproduit le plus fidèlement le calcul complet de la matrice diélectrique inverse dans les matériaux étudiés. La seconde partie de la thèse se concentre sur l'interaction entre les vibrations des atomes du réseau cristallin et les états électroniques. Il est d'abord montré comment le couplage électron-phonon affecte la structure de bandes à température finie et à température nulle, ce qu'on nomme la renormalisation du point zéro (ZPR). On applique ensuite la méthode GW au calcul du couplage électron-phonon dans le diamant. Le ZPR s'avère être fortement amplifié par rapport aux calculs DFT lorsque les corrections GW sont appliquées, améliorant l'accord avec les observations expérimentales.

Performance of correlation functionals in ab initio chemisorption cluster-model calculations: Alkali metals on Si(111)

The performance of different correlation functionals has been tested for alkali metals, Li to Cs, interacting with cluster models simulating different active sites of the Si(111) surface. In all cases, the ab initio Hartree-Fock density has been obtained and used as a starting point. The electronic correlation energy is then introduced as an a posteriori correction to the Hartree-Fock energy using different correlation functionals. By making use of the ionic nature of the interaction and of different dissociation limits we have been able to prove that all functionals tested introduce the right correlation energy, although to a different extent. Hence, correlation functionals appear as an effective and easy way to introduce electronic correlation in the ab initio Hartree-Fock description of the chemisorption bond in complex systems where conventional configuration interaction techniques cannot be used. However, the calculated energies may differ by some tens of eV. Therefore, these methods can be employed to get a qualitative idea of how important correlation effects are, but they have some limitations if accurate binding energies are to be obtained.

Ab initio theoretical comparative study of magnetic coupling in KNiF3 and K2NiF4s

The origin of magnetic coupling in KNiF3 and K2 NiF4 is studied by means of an ab initio cluster model approach. By a detailed study of the mapping between eigenstates of the exact nonrelativistic and spin model Hamiltonians it is possible to obtain the magnetic coupling constant J and to compare ab initio cluster-model values with those resulting from ab initio periodic Hartree-Fock calculations. This comparison shows that J is strongly determined by two-body interactions; this is a surprising and unexpected result. The importance of the ligands surrounding the basic metal-ligand-metal interacting unit is reexamined by using two different partitions and the constrained space orbital variation method of analysis. This decomposition enables us to show that this effect is basically environmental. Finally, dynamical electronic correlation effects have found to be critical in determining the final value of the magnetic coupling constant.