Temperature and wavelength dependence of the thermo-optical properties of tellurite and chalcogenide glasses

The refractive index and the temperature coefficient of the optical path length change of tellurite (80TeO(2):20Li(2)O) and chalcogenide glasses (72.5Ga(2)S(3):27.5La(2)O(3)) were determined as a function of temperature (up to 150 degrees C) and wavelength (in the range between 454 and 632.8 nm). The tellurite glass exhibits the usual refractive index dispersion in the wavelength range analyzed, while anomalous refractive index dispersion was observed for the chalcogenide glass between 454 and 530 nm. The dispersion parameters were determined by means of the single-effective oscillator model. In addition, a strong dependence of the temperature coefficient of the optical path length on the photon energy and temperature was found for the chalcogenide glass. The latter was correlated to the shift of the optical band gap (or electronic edge) with temperature, which was interpreted by the electron-phonon interaction model. (C) 2007 American Institute of Physics.

CALCULATION of MAGNETODONOR STATES IN InP and POLARON EFFECTS

Far-infrared transitions in polar semiconductors are known to be affected by the presence of shallow donor impurities, external magnetic fields and the electron-LO-phonon interaction. We calculate the magnetodonor states in indium phosphide by a diagonalization procedure, and introduce the electron-phonon interaction by the Frohlich term. The main effects of this perturbation are calculated by a multi-level version of the Wigner-Brillouin theory. We determine the transition energies, from the ground state to excited states, and find good qualitative agreement with recently reported absorption-spectroscopy measurements in the 100-800 cm(-1) range, with applied magnetic fields up to 30 T. Our calculations suggest that experimental peak splittings in the 400-450 cm(-1) range are due to the electron-phonon interaction.

The Holstein-Anderson impurity model

A Holstein-Anderson impurity model is presented. Both the electronic states and the vibrational mode associated to the impurity are treated within a novel 'entangled' effective medium approach (a non-perturbative, self-consistent method). Vibronic spectra and susceptibilities are readily computed for the symmetric, half-filled case. As expected, charge fluctuations (electron-phonon interactions) depletes the magnetic response (susceptibility) when compared to the no-phonon case. © 2001 Published by Elsevier Science B.V.

Study of the Influence of Localized Vibrational Modes in Charge Transport Properties at Nanoscale Systems.

In molecular and atomic devices the interaction between electrons and ionic vibrations has an important role in electronic transport. The electron-phonon coupling can cause the loss of the electron's phase coherence, the opening of new conductance channels and the suppression of purely elastic ones. From the technological viewpoint phonons might restrict the efficiency of electronic devices by energy dissipation, causing heating, power loss and instability. The state of the art in electron transport calculations consists in combining ab initio calculations via Density Functional Theory (DFT) with Non-Equilibrium Green's Function formalism (NEGF). In order to include electron-phonon interactions, one needs in principle to include a self-energy scattering term in the open system Hamiltonian which takes into account the effect of the phonons over the electrons and vice versa. Nevertheless this term could be obtained approximately by perturbative methods. In the First Born Approximation one considers only the first order terms of the electronic Green's function expansion. In the Self-Consistent Born Approximation, the interaction self-energy is calculated with the perturbed electronic Green's function in a self-consistent way. In this work we describe how to incorporate the electron-phonon interaction to the SMEAGOL program (Spin and Molecular Electronics in Atomically Generated Orbital Landscapes), an ab initio code for electronic transport based on the combination of DFT + NEGF. This provides a tool for calculating the transport properties of materials' specific system, particularly in molecular electronics. Preliminary results will be presented, showing the effects produced by considering the electron-phonon interaction in nanoscale devices.

Numerical Modelling of Graphene Nanoribbon-fets for Analog and Digital Applications

Graphene, that is a monolayer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice, has been isolated only recently from graphite. This material shows very attractive physical properties, like superior carrier mobility, current carrying capability and thermal conductivity. In consideration of that, graphene has been the object of large investigation as a promising candidate to be used in nanometer-scale devices for electronic applications. In this work, graphene nanoribbons (GNRs), that are narrow strips of graphene, for which a band-gap is induced by the quantum confinement of carriers in the transverse direction, have been studied. As experimental GNR-FETs are still far from being ideal, mainly due to the large width and edge roughness, an accurate description of the physical phenomena occurring in these devices is required to have valuable predictions about the performance of these novel structures. A code has been developed to this purpose and used to investigate the performance of 1 to 15-nm wide GNR-FETs. Due to the importance of an accurate description of the quantum effects in the operation of graphene devices, a full-quantum transport model has been adopted: the electron dynamics has been described by a tight-binding (TB) Hamiltonian model and transport has been solved within the formalism of the non-equilibrium Green's functions (NEGF). Both ballistic and dissipative transport are considered. The inclusion of the electron-phonon interaction has been taken into account in the self-consistent Born approximation. In consideration of their different energy band-gap, narrow GNRs are expected to be suitable for logic applications, while wider ones could be promising candidates as channel material for radio-frequency applications.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Interaction of a discrete breather with a lattice junction

We study the scattering of a moving discrete breather (DB) on a junction in a Fermi-Pasta-Ulam chain consisting of two segments with different masses of the particles. We consider four distinct cases: (i) a light-heavy (abrupt) junction in which the DB impinges on the junction from the segment with lighter mass, (ii) a heavy-light junction, (iii) an up mass ramp in which the mass in the heavier segment increases continuously as one moves away from the junction point, and (iv) a down mass ramp. Depending on the mass difference and DB characteristics (frequency and velocity), the DB can either reflect from, or transmit through, or get trapped at the junction or on the ramp. For the heavy-light junction, the DB can even split at the junction into a reflected and a transmitted DB. The latter is found to subsequently split into two or more DBs. For the down mass ramp the DB gets accelerated in several stages, with accompanying radiation (phonons). These results are rationalized by calculating the Peierls-Nabarro barrier for the various cases. We also point out implications of our results in realistic situations such as electron-phonon coupled chains.

LATTICE-DYNAMICS OF ALKALI-METALS IN A 3-BODY INTERACTION

The original model of Das et al. is modified in extending the electron-ion interaction on a three-body forces and including the crystal equilibrium condition to reduce one independent parameter. We studied the phonon dispersion relations along the three principal symmetry directions i.e. [xi, 0, 0], [xi, xi, 0] and [xi, xi, xi] and theta-T curves of alkali metals, Na, K, Rb, Cs and Li. There is close agreement between the computed results and the experimental observations.

Charged-particle interaction with liquids: Ripplon excitations

We calculate the ripplon field contribution to the self-energy of an electron exterior to a liquid for planar and spherical geometries. We compare the full dielectric calculation of the electron-liquid interaction with the simpler alternative method consisting of integrating the electron-atom static-induced-dipolar potential through the whole liquid volume. We obtain good agreement between both methods for a nonpolar liquid such as 4He but differences up to 40% for a polar liquid such as water. We study the conditions under which the ripplon contribution to the self-energy is a perturbation. For an electron moving parallel to a planar liquid surface, we calculate the ripplon contribution to its stopping power. For this dynamical case, we conclude that the alternative method is a good approximation even for polar liquids.

Electron energy loss spectroscopy: physical principles, state of the art and applications to the nanosciences

In the present work we review the way in which the electron-matter interaction allows us to perform electron energy loss spectroscopy (EELS), as well as the latest developments in the technique and some of the most relevant results of EELS as a characterization tool in nanoscience and nanotechnology.

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.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

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.

Interaction of human neutrophils with endothelial cells regulates the expression of endogenous proteins annexin 1, galectin-1 and galectin-3

Annexin 1 (ANXA1), galectin-1 (Gal-1) and galectin-3 (Gal-3) proteins have been identified as important mediators that promote or inhibit leukocyte migration. The expression of these proteins was studied in human neutrophils and endothelial cells (ECs) during a transmigration process induced by IL-8. Upon neutrophil adhesion to EC, a significant increase in the cleaved ANXA1 (LCS3, raised against all ANXA1 isoforms) expression was detected in the plasma membrane of adhered neutrophils and ECs compared to intact ANXA1 isoform (LCPS1, against N-terminus of protein). Adherent neutrophils had elevated Gal-3 levels in the nucleus and cytoplasm, and ECs in their plasma membranes. In contrast, a decrease in the total amounts of Gal-1 was detected in migrated compared to non-migrated neutrophils. Therefore, ANXA1 and Gal-3 changed in their content and localization when neutrophils adhere to endothelia, suggesting a process of sensitive-balance between two endogenous anti- and pro-inflammatory mediators. (c) 2006 International Federation for Cell Biology. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.