Spin and density longitudinal response of quantum dots in the time-dependent local-spin-density approximation

The longitudinal dipole response of a quantum dot has been calculated in the far-infrared regime using local-spin-density-functional theory. We have studied the coupling between the collective spin and density modes as a function of the magnetic field. We have found that the spin dipole mode and single-particle excitations have a sizable overlap, and that the magnetoplasmon modes can be excited by the dipole spin operator if the dot is spin polarized. The frequency of the dipole spin edge mode presents an oscillation which is clearly filling factor (v) related. We have found that the spin dipole mode is especially soft for even-n values. Results for selected numbers of electrons and confining potentials are discussed.

Wave-vector dependence of spin and density multipole excitations in quantum dots

We have employed time-dependent local-spin density-functional theory to analyze the multipole spin and charge density excitations in GaAs-AlxGa1-xAs quantum dots. The on-plane transferred momentum degree of freedom has been taken into account, and the wave-vector dependence of the excitations is discussed. In agreement with previous experiments, we have found that the energies of these modes do not depend on the transferred wave vector, although their intensities do. Comparison with a recent resonant Raman scattering experiment [C. Schüller et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2673 (1998)] is made. This allows us to identify the angular momentum of several of the observed modes as well as to reproduce their energies

Density modes in spherical 4He shells

We compute the density-fluctuation spectrum of spherical 4HeN shells adsorbed on the outer surface of Cn fullerenes. The excitation spectrum is obtained within the random-phase approximation, with particle-hole elementary excitations and effective interaction extracted from a density-functional description of the shell structure. The presence of one or two solid helium layers adjacent to the adsorbing fullerene is phenomenologically accounted for. We illustrate our results for a selection of numbers of adsorbed atoms on C20, C60, and C120. The hydrodynamical model that has proven successful to describe helium excitations in the bulk and in restricted geometries permits to perform a rather exhaustive analysis of various fluid spherical systems, namely, spheres, cavities, free bubbles, and bound shells of variable size.

Variational Wigner-Kirkwood approach to relativistic mean field theory

The recently developed variational Wigner-Kirkwood approach is extended to the relativistic mean field theory for finite nuclei. A numerical application to the calculation of the surface energy coefficient in semi-infinite nuclear matter is presented. The new method is contrasted with the standard density functional theory and the fully quantal approach.

Relativistic mean-field interaction with density-dependent meson-nucleon vertices based on microscopical calculations

Although ab initio calculations of relativistic Brueckner theory lead to large scalar isovector fields in nuclear matter, at present, successful versions of covariant density functional theory neglect the interactions in this channel. A new high-precision density functional DD-MEδ is presented which includes four mesons, σ, ω, δ, and ρ, with density-dependent meson-nucleon couplings. It is based to a large extent on microscopic ab initiocalculations in nuclear matter. Only four of its parameters are determined by adjusting to binding energies and charge radii of finite nuclei. The other parameters, in particular the density dependence of the meson-nucleon vertices, are adjusted to nonrelativistic and relativistic Brueckner calculations of symmetric and asymmetric nuclear matter. The isovector effective mass mp*−mn* derived from relativistic Brueckner theory is used to determine the coupling strength of the δ meson and its density dependence.

Local size segregation in polydisperse hard sphere fluids

The structure of polydisperse hard sphere fluids, in the presence of a wall, is studied by the Rosenfeld density functional theory. Within this approach, the local excess free energy depends on only four combinations of the full set of density fields. The case of continuous polydispersity thereby becomes tractable. We predict, generically, an oscillatory size segregation close to the wall, and connect this, by a perturbation theory for narrow distributions, with the reversible work for changing the size of one particle in a monodisperse reference fluid.

Neutral atoms in ionic lattices: Excited states of KCl:Ag(0)

The optical-absorption spectrum of a cationic Ag0 atom in a KCl crystal has been studied theoretically by means of a series of cluster models of increasing size. Excitation energies have been determined by means of a multiconfigurational self-consistent field procedure followed by a second-order perturbation correlation treatment. Moreover results obtained within the density-functional framework are also reported. The calculations confirm the assignment of bands I and IV to transitions of the Ag-5s electron into delocalized states with mainly K-4s,4p character. Bands II and III have been assigned to internal transitions on the Ag atom, which correspond to the atomic Ag-4d to Ag-5s transition. We also determine the lowest charge transfer (CT) excitation energy and confirm the assignment of band VI to such a transition. The study of the variation of the CT excitation energy with the Ag-Cl distance R gives additional support to a large displacement of the Cl ions due to the presence of the Ag0 impurity. Moreover, from the present results, it is predicted that on passing to NaCl:Ag0 the CT onset would be out of the optical range while the 5s-5p transition would undergo a redshift of 0.3 eV. These conclusions, which underline the different character of involved orbitals, are consistent with experimental findings. The existence of a CT transition in the optical range for an atom inside an ionic host is explained by a simple model, which also accounts for the differences with the more common 3d systems. The present study sheds also some light on the R dependence of the s2-sp transitions due to s2 ions like Tl+.

Ground- and excited-state properties of M-center oxygen vacancy aggregates in the bulk and the surface of MgO

Aggregates of oxygen vacancies (F centers) represent a particular form of point defects in ionic crystals. In this study we have considered the combination of two oxygen vacancies, the M center, in the bulk and on the surface of MgO by means of cluster model calculations. Both neutral and charged forms of the defect M and M+ have been taken into account. The ground state of the M center is characterized by the presence of two doubly occupied impurity levels in the gap of the material; in M+ centers the highest level is singly occupied. For the ground-state properties we used a gradient corrected density functional theory approach. The dipole-allowed singlet-to-singlet and doublet-to-doublet electronic transitions have been determined by means of explicitly correlated multireference second-order perturbation theory calculations. These have been compared with optical transitions determined with the time-dependent density functional theory formalism. The results show that bulk M and M+ centers give rise to intense absorptions at about 4.4 and 4.0 eV, respectively. Another less intense transition at 1.3 eV has also been found for the M+ center. On the surface the transitions occur at 1.6 eV (M+) and 2 eV (M). The results are compared with recently reported electron energy loss spectroscopy spectra on MgO thin films.

A Theoretical investigation of a potential high energy density compound 3,6,7,8-tetranitro-3,6,7,8-tetraaza-tricyclo[3.1.1.1(2,4)]octane

The B3LYP/6-31G (d) density functional theory (DFT) method was used to study molecular geometry, electronic structure, infrared spectrum (IR) and thermodynamic properties. Heat of formation (HOF) and calculated density were estimated to evaluate detonation properties using Kamlet-Jacobs equations. Thermal stability of 3,6,7,8-tetranitro-3,6,7,8-tetraaza-tricyclo [3.1.1.1(2,4)]octane (TTTO) was investigated by calculating bond dissociation energy (BDE) at the unrestricted B3LYP/6-31G(d) level. Results showed the N-NO2 bond is a trigger bond during the thermolysis initiation process. The crystal structure obtained by molecular mechanics (MM) methods belongs to P2(1)/C space group, with cell parameters a = 8.239 Å, b = 8.079 Å, c = 16.860 Å, Z = 4 and r = 1.922 g cm-3. Both detonation velocity of 9.79 km s-1 and detonation pressure of 44.22 GPa performed similarly to CL-20. According to the quantitative standards of energetics and stability, TTTO essentially satisfies this requirement as a high energy density compound (HEDC).

Études spectroscopiques expérimentales et théoriques de complexes de métaux de transition

Cette thèse présente une série d'études qui visent la compréhension de la structure électronique de complexes de métaux de transition en employant diverses méthodes de spectroscopie. L'information sur la structure électronique aide à comprendre et développer des nouveaux matériaux, des nouvelles voies de synthèses, ainsi que des nouveaux modèles théoriques. Habituellement, afin d'explorer la structure électronique d'un système qui comporte en son centre un métal de transition, l'information fournie par les spectres d'un seul composé n'est pas suffisante. On étudie une série de composés similaires, qui ont le même métal de transition à un degré d'oxydation donné, ainsi que des ligands qui forment des liaisons de différentes forces et caractéristiques avec le métal. Cependant, ces changements, bien qu'on les désire de faible impact, créent une grande perturbation de la structure électronique visée par les études. Afin d'étudier en profondeur une seule structure électronique, nous employons une stratégie d'analyse moins perturbante. Nous appliquons une pression hydrostatique sur les complexes de métaux de transition. Cette pression perturbe le système suffisamment pour nous livrer davantage d'informations sur la structure électronique, sans la « dénaturer ». Afin d'étudier précisément ces systèmes perturbés, la technique d'application de pression est conjuguée, dans la littérature, aux diverses techniques de spectroscopie d'absorption UV-visible, de luminescence, ainsi que de diffusion Raman. Pour extraire un maximum d'informations de ces expériences, on emploie des techniques de calculs de structure électronique ainsi que de dynamique des noyaux. Dans cette thèse, on tente de mettre en lumière la structure électronique de composés de molybdène(IV), de platine(II) et palladium(II) à l'aide de la technique de pression couplée aux spectroscopies de luminescence et de diffusion Raman. Dans le chapitre 3, on observe un déplacement de la bande de luminescence de +12 cm-1/kbar entre la pression ambiante et 25 kbar pour le complexe trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4, dont le centre métallique molybdène(IV)est de configuration électronique 4d2. Il s'agit de la première variation positive observée pour un complexe de type métal-oxo. À des pressions plus élevées, la tendance s'inverse. Le maximum d'énergie de la bande de luminescence se déplace de -8 cm-1/kbar. Ce changement de variation présage d'une compétition interne entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. À l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, on propose un mécanisme pour expliquer ce phénomène. Au cours du chapitre 4, on étudie des complexes de palladium(II) et de platine(II) qui ont les mêmes ligands. Un de ces ligands est le 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). On constate qu'à basse pression le ligand est bidentate. Par contre, lorsque la pression augmente, on constate, par exemple à l'aide du complexe [Pt(ttcn)Cl2], qu'une interaction anti-liante supplémentaire se produit entre le ligand ttcn et le métal, ce qui change la nature de l'orbitale HOMO. On observe un déplacement de la bande de luminescence de -19 cm-1/kbar. Tel que pour le complexe de molybdène(IV), le déplacement de la bande de luminescence dépend de la compétition entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. L'interaction liante entre l'ion platine(II) et l'atome de soufre axial est l'effet le plus plausible qui peut induire un déplacement de la bande de luminescence vers les basses énergies. Ceci nous indique que cette interaction domine. Par contre, pour ce qui est du complexe palladium(II), la compétition est remportée par d'autres effets, car le déplacement de la bande de luminescence est de +6 cm-1/kbar. Encore une fois, des calculs, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, aident à explorer les causes de ces observations en suggérant des explications corroborées simultanément par les diverses expériences de spectroscopie. Lors du chapitre 5, une étude plus exacte de la structure électronique ainsi que de la dynamique des noyaux de complexes de métaux de transition est présentée. En effet, les complexes de palladium(II) et de platine(II), de type [M(X)4]2-, ont une structure simple, très symétrique. Le premier état excité de ces molécules subit la distorsion Jahn-Teller. On veut établir un protocole de travail pour les expérimentateurs afin d'analyser des spectres de molécules pour lesquelles l'approximation de Born-Oppenheimer n'est pas valide. On utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps ainsi que le modèle de Heidelberg afin de décrire des effets non adiabatique. On tente d'établir l'influence des effets non adiabatiques sur les spectres de ce type de complexe.

Méthode de calcul à N-corps basée sur la G0W0 : étude du couplage électron-phonon dans le C60 et développement d’une approche accélérée pour matériaux organiques

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc.

Étude de dispositifs électroniques moléculaires à l'aide de modèles simples

Cette thèse en électronique moléculaire porte essentiellement sur le développement d’une méthode pour le calcul de la transmission de dispositifs électroniques moléculaires (DEMs), c’est-à-dire des molécules branchées à des contacts qui forment un dispositif électronique de taille moléculaire. D’une part, la méthode développée vise à apporter un point de vue différent de celui provenant des méthodes déjà existantes pour ce type de calculs. D’autre part, elle permet d’intégrer de manière rigoureuse des outils théoriques déjà développés dans le but d’augmenter la qualité des calculs. Les exemples simples présentés dans ce travail permettent de mettre en lumière certains phénomènes, tel que l’interférence destructive dans les dispositifs électroniques moléculaires. Les chapitres proviennent d’articles publiés dans la littérature. Au chapitre 2, nous étudions à l’aide d’un modèle fini avec la méthode de la théorie de la fonctionnelle de la densité de Kohn-Sham un point quantique moléculaire. De plus, nous calculons la conductance du point quantique moléculaire avec une implémentation de la formule de Landauer. Nous trouvons que la structure électronique et la conductance moléculaire dépendent fortement de la fonctionnelle d’échange et de corrélation employée. Au chapitre 3, nous discutons de l’effet de l’ajout d’une chaîne ramifiée à des molécules conductrices sur la probabilité de transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Nous trouvons que des interférences destructives apparaissent aux valeurs propres de l’énergie des chaînes ramifiées isolées, si ces valeurs ne correspondent pas à des états localisés éloignés du conducteur moléculaire. Au chapitre 4, nous montrons que les dispositifs électroniques moléculaires contenant une molécule aromatique présentent généralement des courants circulaires qui sont associés aux phénomènes d’interférence destructive dans ces systèmes. Au chapitre 5, nous employons l’approche « source-sink potential » (SSP) pour étudier la transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Au lieu de considérer les potentiels de sources et de drains exactement, nous utilisons la théorie des perturbations pour trouver une expression de la probabilité de transmission, T(E) = 1 − |r(E)|2, où r(E) est le coefficient de réflexion qui dépend de l’énergie. Cette expression dépend des propriétés de la molécule isolée, en effet nous montrons que c’est la densité orbitalaire sur les atomes de la molécule qui sont connectés aux contacts qui détermine principalement la transmission du dispositif à une énergie de l’électron incident donnée. Au chapitre 6, nous présentons une extension de l’approche SSP à un canal pour des dispositifs électroniques moléculaires à plusieurs canaux. La méthode à multiples canaux proposée repose sur une description des canaux propres des états conducteurs du dispositif électronique moléculaire (DEM) qui sont obtenus par un algorithme auto-cohérent. Finalement, nous utilisons le modèle développé afin d’étudier la transmission du 1-phényl-1,3-butadiène branché à deux rangées d’atomes couplées agissant comme contacts à gauche et à la droite.

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.