Prospects for ultracold carbon via charge exchange reactions and laser cooled carbides

Strategies to produce an ultracold sample of carbon atoms are explored and assessed with the help of quantum chemistry. After a brief discussion of the experimental difficulties using conventional methods, two strategies are investigated. The first attempts to exploit charge exchange reactions between ultracold metal atoms and sympathetically cooled C+ ions. Ab initio calculations including electron correlation have been conducted on the molecular ions [LiC]+ and [BeC]+ to determine whether alkali or alkaline earth metals are a suitable buffer gas for the formation of C atoms but strong spontaneous radiative charge exchange ensure they are not ideal. The second technique involves the stimulated production of ultracold C atoms from a gas of laser cooled carbides. Calculations on LiC suggest that the alkali carbides are not suitable but the CH radical is a possible laser cooling candidate thanks to very favourable Frank-Condon factors. A scheme based on a four pulse STIRAP excitation pathway to a Feshbach resonance is outlined for the production of atomic fragments with near zero centre of mass velocity.

Protic ionic liquids based on the dimeric and oligomeric anions: [(AcO)(x)Hx-1](-)

We describe a fluidity and conductivity study as a function of composition in N-methylpyrrolidine-acetic acid mixtures. The simple 1 : 1 acid-base mixture appears to form an ionic liquid, but its degree of ionicity is quite low and such liquids are better thought of as poorly dissociated mixtures of acid and base. The composition consisting of 3 moles acetic acid and 1 mole N-methylpyrrolidine is shown to form the highest ionicity mixture in this binary due to the presence of oligomeric anionic species [(AcO)(x)Hx-1](-) stabilised by hydrogen bonds. These oligomeric species, being weaker bases than the acetate anion, shift the proton transfer equilibrium towards formation of ionic species, thus generating a higher degree of ionicity than is present at the 1 : 1 composition. A Walden plot analysis, thermogravimetric behaviour and proton NMR data, as well as ab initio calculations of the oligomeric species, all support this conclusion.

Ultracold fluorine production via Doppler cooled BeF

Large parts of the periodic table cannot be cooled by current laser-based methods. We investigate whether zero energy fragmentation of laser cooled fluorides is a potential source of ultracold fluorine atoms. We report new ab initio calculations on the lowest electronic states of the BeF diatomic molecule including spin-orbit coupling, the calculated minima for the valence electronic states being within 1 pm of the spectroscopic values. A four colour cooling scheme based on the A2? ? X2S+ transition is shown to be feasible for this molecule. Multi-Reference Configuration Interaction (MRCI) potentials of the lowest energy Rydberg states are reported for the first time and found to be in good agreement with experimental data. A series of multi-pulse excitation schemes from a single rovibrational level of the cooled molecule are proposed to produce cold fluorine atoms.

Exciton-Plasmon States in Nanoscale Materials: Breakdown of the Tamm-Dancoff Approximation

Within the Tamm-Dancoff approximation, ab initio approaches describe excitons as packets of electron-hole pairs propagating only forward in time. However, we show that in nanoscale materials excitons and plasmons hybridize, creating exciton-plasmon states where the electron-hole pairs oscillate back and forth in time. Then, as exemplified by the trans-azobenzene molecule and the carbon nanotubes, the Tamm-Dancoff approximation yields errors larger than the accuracy claimed in ab initio calculations. Instead, we propose a general and efficient approach that avoids the Tamm-Dancoff approximation, correctly describes excitons, plasmons, and exciton-plasmon states, and provides a good agreement with experimental results.

CO2 Capture in Wet and Dry Superbase Ionic Liquids

The solubility of carbon dioxide in five tetraalkylphosphonium superbase ionic liquids, namely the trihexyltetradecylphoshonium phenoxide, trihexyltetradecylphoshonium benzotriazolide, trihexyltetradecylphoshonium benzimidazolide, trihexyltetradecylphoshonium 1,2,3-triazolide, and trihexyltetradecylphoshonium 1,2,4-triazolide was studied experimentally under dry and wet conditions at 22 A degrees C and at atmospheric pressure, using a gravimetric saturation technique. The effects of anion structure and of the presence or absence of water in the solution on the carbon dioxide solubility were then deduced from the data. H-1 and C-13-NMR spectroscopy and ab initio calculations were also conducted to probe the interactions in these solutions, as carbon dioxide and water can compete in the ionic liquid structure during the absorption process. Additionally, the viscosity of selected superbase ionic liquids was measured under dry and wet conditions, in the presence or absence of CO2, to evaluate their practical application in carbon dioxide capture processes. Finally, the recyclability of the trihexyltetradecylphoshonium 1,2,4-triazolide under dry and wet conditions was determined to probe the ability of selected solvents to solubilize chemically a high concentration of carbon dioxide and then release it in a low energy demand process.

Cement As a Waste Form for Nuclear Fission Products: The Case of 90Sr and Its Daughters

One of the main challenges faced by the nuclear industry is the long-term confinement of nuclear waste. Because it is inexpensive and easy to manufacture, cement is the material of choice to store large volumes of radioactive materials, in particular the low-level medium-lived fission products. It is therefore of utmost importance to assess the chemical and structural stability of cement containing radioactive species. Here, we use ab initio calculations based on density functional theory (DFT) to study the effects of ⁹⁰Sr insertion and decay in C-S-H (calcium-silicate-hydrate) in order to test the ability of cement to trap and hold this radioactive fission product and to investigate the consequences of its β-decay on the cement paste structure. We show that ⁹⁰Sr is stable when it substitutes the Ca²⁺ ions in C-S-H, and so is its daughter nucleus ⁹⁰Y after β-decay. Interestingly, ⁹⁰Zr, daughter of ⁹⁰Y and final product in the decay sequence, is found to be unstable compared to the bulk phase of the element at zero K but stable when compared to the solvated ion in water. Therefore, cement appears as a suitable waste form for ⁹⁰Sr storage.

Fine-structure photoionization cross sections of Fe II

We present the first calculation of fine-structure photoionization cross sections for the ground state of singly ionized Fe. These large-scale ab initio calculations, limited to the near-threshold region, were performed in the close-coupling approximation using a Dirac–Coulomb R -matrix method implemented within a modified version of the DARC package. Our calculated cross sections reproduce in detail the resonance structures observed in previous experimental determinations.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Multiphysics Simulation of Nanostructured Semiconductor Devices

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Large amplitude motions in the S1 state of formic acid /

A detailed theoretical investigation of the large amplitude motions in the S, excited electronic state of formic acid (HCOOH) was done. This study focussed on the the S, «- So electronic band system of formic acid (HCOOH). The torsion and wagging large amplitude motions of the S, were considered in detail. The potential surfaces were simulated using RHF/UHF ab-initio calculations for the two electronic states. The energy levels were evaluated by the variational method using free rotor basis functions for the torsional coordinates and harmonic oscillator basis functions for the wagging coordinates. The simulated spectrum was compared to the slit-jet-cooled fluorescence excitation spectrum allowing for the assignment of several vibronic bands. A rotational analysis of certain bands predicted that the individual bands are a mixture of rotational a, b and c-type components.The electronically allowed transition results in the c-type or Franck-Condon band and the electronically forbidden, but vibronically allowed transition creates the a/b-type or Herzberg-Teller components. The inversion splitting between these two band types differs for each band. The analysis was able to predict the ratio of the a, b and c-type components of each band.

Novel Magnetic Materials Based on Macrocyclic Ligands: Towards High Relaxivity Contrast Agents and Mononuclear Single-Molecule Magnets

The preparation and characterization of coordination complexes of Schiff-base and crown ether macrocycles is presented, for application as contrast agents for magnetic resonance imaging, Project 1; and single-molecule magnets (SMMs), Projects 2 and 3. In Project 1, a family of eight Mn(II) and Gd(III) complexes of N3X2 (X = NH, O) and N3O3 Schiff-base macrocycles were synthesized, characterized, and evaluated as potential contrast agents for MRI. In vitro and in vivo (rodent) studies indicate that the studied complexes display efficient contrast behaviour, negligible toxicity, and rapid excretion. In Project 2, DyIII complexes of Schiff-base macrocycles were prepared with a view to developing a new family of mononuclear Ln-SMMs with pseudo-D5h geometries. Each complex displayed slow relaxation of magnetization, with magnetically-derived energy barriers in the range Ueff = 4 – 24 K. In Project 3, coordination complexes of selected later lanthanides with various crown ether ligands were synthesized. Two families of complexes were structurally and magnetically analyzed: ‘axial’ or sandwich-type complexes based on 12-crown-4 and 15-crown-5; and ‘equatorial’ complexes based on 18-crown-6. Magnetic data are supported by ab initio calculations and luminescence measurements. Significantly, the first mononuclear Ln-SMM prepared from a crown ether ligand is described.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

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.

Electronic structure and magnetic interactions of the spin-chain compounds Ca2CuO3 and Sr2CuO3

The results are presented of a combined periodic and cluster model approach to the electronic structure and magnetic interactions in the spin-chain compounds Ca2CuO3 and Sr2CuO3. An extended t-J model is presented that includes in-chain and interchain hopping and magnetic interaction processes with parameters extracted from ab initio calculations. For both compounds, the in-chain magnetic interaction is found to be around -240 meV, larger than in any of the other cuprates reported in the literature. The interchain magnetic coupling is found to be weakly antiferromagnetic, -1 meV. The effective in-chain hopping parameters are estimated to be ~650 meV for both compounds, whereas the value of the interchain hopping parameter is 30 meV for Sr2CuO3 and 40 meV for Ca2CuO3, in line with the larger interchain distance in the former compound. These effective parameters are shown to be consistent with expressions recently suggested for the Néel temperature and the magnetic moments, and with relations that emerge from the t-J model Hamiltonian. Next, we investigate the physical nature of the band gap. Periodic calculations indicate that an interpretation in terms of a charge-transfer insulator is the most appropriate one, in contrast to the suggestion of a covalent correlated insulator recently reported in the literature.

Inclusive probabilities for the scattering system 16 MeV-S{^16+} on Ar

We performed ab initio calculations of many particle inclusive probabilities for the scattering system 16 MeV-S{^16+} on Ar. The solution of the time-dependent DIRAC-FOCK-SLATER-equation is achieved via a set of coupled-channel equations with energy eigenvalues and matrix elements which are given by static SCF molecular many electron calculations.