Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Spin-phonon coupling in single Mn-doped CdTe quantum dot

The spin dynamics of a single Mn atom in a laser driven CdTe quantum dot is addressed theoretically. Recent experimental results [ Gall et al. Phys. Rev. Lett. 102 127402 (2009);  Goryca et al. Phys. Rev. Lett. 103 087401 (2009)  Gall et al. Phys. Rev. B 81 245315 (2010)] show that it is possible to induce Mn spin polarization by means of circularly polarized optical pumping. Pumping is made possible by the faster Mn spin relaxation in the presence of the exciton. Here we discuss different Mn spin-relaxation mechanisms: first, Mn-phonon coupling, which is enhanced in the presence of the exciton; second, phonon induced hole spin relaxation combined with carrier-Mn spin-flip coupling and photon emission results in Mn spin relaxation. We model the Mn spin dynamics under the influence of a pumping laser that injects excitons into the dot, taking into account exciton-Mn exchange and phonon induced spin relaxation of both Mn and holes. Our simulations account for the optically induced Mn spin pumping.

The origin of incipient ferroelectricity in lead telluride.

The interactions between electrons and lattice vibrations are fundamental to materials behaviour. In the case of group IV-VI, V and related materials, these interactions are strong, and the materials exist near electronic and structural phase transitions. The prototypical example is PbTe whose incipient ferroelectric behaviour has been recently associated with large phonon anharmonicity and thermoelectricity. Here we show that it is primarily electron-phonon coupling involving electron states near the band edges that leads to the ferroelectric instability in PbTe. Using a combination of nonequilibrium lattice dynamics measurements and first principles calculations, we find that photoexcitation reduces the Peierls-like electronic instability and reinforces the paraelectric state. This weakens the long-range forces along the cubic direction tied to resonant bonding and low lattice thermal conductivity. Our results demonstrate how free-electron-laser-based ultrafast X-ray scattering can be utilized to shed light on the microscopic mechanisms that determine materials properties.

Strong connections, loose coupling: the influence of the Bering Sea ecosystem on commercial fisheries and subsistence harvests in Alaska

Human-environment connections are the subject of much study, and the details of those connections are crucial factors in effective environmental management. In a large, interdisciplinary study of the eastern Bering Sea ecosystem involving disciplines from physical oceanography to anthropology, one of the research teams examined commercial fisheries and another looked at subsistence harvests by Alaska Natives. Commercial fisheries and subsistence harvests are extensive, demonstrating strong connections between the ecosystem and the humans who use it. At the same time, however, both research teams concluded that the influence of ecosystem conditions on the outcomes of human activities was weaker than anticipated. Likely explanations of this apparently loose coupling include the ability of fishers and hunters to adjust to variable conditions, and the role of social systems and management in moderating the direct effects of changes in the ecosystem. We propose a new conceptual model for future studies that incorporates a greater range of social factors and their dynamics, in addition to similarly detailed examinations of the ecosystem itself.

Functional surface chemistry of carbon-based nanostructures

The recently discovered abilities to synthesize single-walled carbon nanotubes and prepare single layer graphene have spurred interest in these sp2-bonded carbon nanostructures. In particular, studies of their potential use in electronic devices are many as silicon integrated circuits are encountering processing limitations, quantum effects, and thermal management issues due to rapid device scaling. Nanotube and graphene implementation in devices does come with significant hurdles itself. Among these issues are the ability to dope these materials and understanding what influences defects have on expected properties. Because these nanostructures are entirely all-surface, with every atom exposed to ambient, introduction of defects and doping by chemical means is expected to be an effective route for addressing these issues. Raman spectroscopy has been a proven characterization method for understanding vibrational and even electronic structure of graphene, nanotubes, and graphite, especially when combined with electrical measurements, due to a wealth of information contained in each spectrum. In Chapter 1, a discussion of the electronic structure of graphene is presented. This outlines the foundation for all sp2-bonded carbon electronic properties and is easily extended to carbon nanotubes. Motivation for why these materials are of interest is readily gained. Chapter 2 presents various synthesis/preparation methods for both nanotubes and graphene, discusses fabrication techniques for making devices, and describes characterization methods such as electrical measurements as well as static and time-resolved Raman spectroscopy. Chapter 3 outlines changes in the Raman spectra of individual metallic single-walled carbon nantoubes (SWNTs) upon sidewall covalent bond formation. It is observed that the initial degree of disorder has a strong influence on covalent sidewall functionalization which has implications on developing electronically selective covalent chemistries and assessing their selectivity in separating metallic and semiconducting SWNTs. Chapter 4 describes how optical phonon population extinction lifetime is affected by covalent functionalization and doping and includes discussions on static Raman linewidths. Increasing defect concentration is shown to decrease G-band phonon population lifetime and increase G-band linewidth. Doping only increases G-band linewidth, leaving non-equilibrium population decay rate unaffected. Phonon mediated electron scattering is especially strong in nanotubes making optical phonon decay of interest for device applications. Optical phonon decay also has implications on device thermal management. Chapter 5 treats doping of graphene showing ambient air can lead to inadvertent Fermi level shifts which exemplifies the sensitivity that sp2-bonded carbon nanostructures have to chemical doping through sidewall adsorption. Removal of this doping allows for an investigation of electron-phonon coupling dependence on temperature, also of interest for devices operating above room temperature. Finally, in Chapter 6, utilizing the information obtained in previous chapters, single carbon nanotube diodes are fabricated and characterized. Electrical performance shows these diodes are nearly ideal and photovoltaic response yields 1.4 nA and 205 mV of short circuit current and open circuit voltage from a single nanotube device. A summary and discussion of future directions in Chapter 7 concludes my work.

Pressure dependence of spin fluctuations in metallic glasses Zrâ â Niâ â ,Zrâ â (Nix/Feâ â â -x)â â and /Zrx/feâ â â -x

The superconducting transition temperature Tc of metallic glasses ZrxFelOO-x (x=80, 75), Zr75(NixFelOO-x)25 (x=75, 50, 25), and CU2SZr75 were measured under quasi-hydrostatic pressure up to 8 OPa (80kbar). The volume (pressure) dependence of the electron-phonon coupling parameters Aep for CU25Zr75 was calculated using the McMillan equatio11. Using this volume dependence of Aep and the modified McMillan equation which incorporates spin-fluctuations, the volume dependence of the spin fluctuation parameter, Asf, was determined in Zr75Ni25, ZrxFelOO-x , a11d Zr75(NixFelOO-x)25. It was found that with increasing pressure, spinfluctuations are suppressed at a faster rate in ZrxFe lOO-x and Zr75(NixFelOO-x)25, as Fe concentration is increased. The rate of suppression of spin-fluctuations with pressure was also found to be higher in Fe-Zr glasses than in Ni-Zr glasses of similar composition.

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)

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.

Analyse des propriétés électroniques de supraconducteurs à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau.

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.

Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Local Er(III) environment in luminescent titanosilicates prepared from microporous precursors

The local environment of Er3+ ions in microporous titanosilicate ETS-10 and in synthetic narsarsukite and glassy materials obtained by calcination of ETS-10 has been investigated by EXAFS, Raman and photoluminescence spectroscopies. Er L-III-edge EXAFS studies of Er3+-doped ETS-10 support the view that the exchanged Er3+ ions reside close to the (negatively charged) TiO6 octahedra. In ETS-10, Er3+ is partially bonded to framework oxygen atoms and hydration water molecules. The Er...Ti distance (3.3 Angstrom) is similar to the Na...Ti distances (3.15-3.20 Angstrom) reported previously for Na-ETS-10. Although the exact location of the ErO6 units within the host structure of Er3+-doped synthetic narsarsukite is still an open question, it is most likely that Er3+ substitutes Ti4+ rather than Na+ ions. EXAFS spectroscopy indicates that no significant clustering of erbium atoms occurs in the titanosilicate samples studied. Evidence for the insertion of Er3+ ions in the framework of narsarsukite has been obtained by Raman spectroscopy. This is indicated by the increasing full-width at half-maximum (FWHM) of the 775 cm(-1) peak and the increasing intensity of the anatase peaks as the erbium content increases. In addition, as the narsarsukite Er3+ content increases a band at ca. 515 cm(-1) firstly broadens and subsequently a new peak appears at ca. 507 cm(-1).Er3+-doped narsarsukite exhibits a characteristic local vibrational frequency, (h) over bar omega ca. 330 cm(-1), with an electron-phonon coupling, g ca. 0.2, which constitutes additional evidence for framework Er3+ insertion. The number of lines in the infrared emission spectrum of synthetic narsarsukite indicates the presence of two optically-active erbium centres with very similar local environments and an average I-4(13/2) lifetime of 7.8 +/- 0.2 ms.

Field-dependent conductivity at low electric fields in pressed pellets of doped poly (3-methylthiophene): evidence of charge-density wave depinning

Field-dependent conductivity at low electric fields was observed from low to room temperature in pressed pellets of doped poly(3-methylthiophene). The room temperature data showed good agreement with Bardeen's theory of charge-density wave depinning and the values of the parameters obtained are consistent with a strong electron-phonon interaction as expected for quasi-one dimensional systems. (C) 2003 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Disordered distribution of defects in polythiophene

In this work we study the electronic structure associated to a disordered distribution of bipolarons in polythiophene. The polymer chain is modelled by a tight-binding Hamiltonian with explicit treatment of electron-phonon coupling and the elastic energy of the sigma framework. The model also includes the electrostatic interaction due to the counterions. The density of states of the disordered system is obtained by the use of the Negative Factor Counting technique. Our results show that ion-induced conformational disorder can account for the closure of the gap and that the states around the Fermi level are extended. © 1993.

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.