Crystal growth, characterization and point contact spectroscopy on CuxTiSe₂

Various s e t s of single c rys t a l s and poly c rys t a l s of Cux TiSe2 were grown. X- r ay diffraction and ene rgy dispersive spe c t ros copy r e sul t s verified tha t the c rys t a l s were the cor r e c t compos i t ion and c rys t a l s t ruc tur e . Re s i s t ivi ty me a sur ement s and magne t i c sus c ept ibi l i ty me a sur ement s de t e rmined the supe r conduc t ing t r ans i t ion t empe r a tur e s for the c rys t a l s . The c rys t a l s in each growth had various supe r conduc t ing t r ans i t ion t empe r a tur e s . Also, the me a sur ement s indi c a t ed tha t the c rys t a l s were inhomogeneous. Point cont a c t spe c t ros copy expe r iment s were employed on various single c rys t a l s . Inspe c t ion of the da t a indi c a t ed tha t the ma t e r i a l ha s a single ene rgy gap . A progr am was bui l t ut i l i z ing the Levenbe rg-Ma rqua rdt me thod and theory on point cont a c t spe c t ros copy to de t e rmine the supe r conduc t ing ene rgy gap. Plot s of the supe r conduc t ing ene rgy gap a t various t empe r a tur e s were in di s agr e ement wi th wha t was expe c t ed for a convent iona l supe r conduc tor .

Design of Resistivity Instrumentation for a He3 Cryostat and its Application to the Charge Density Wave Superconductor CuxTiSe2

Fermi patches in quasi-two dimensional charge density waves (CDW) have not described the connection to superconductivity (SC) according to theory adequately at this point in time. The connection between CDW and SC in the quasi-two dimensional material CuxTiSe2 is an interesting one which might reveal mechanisms in unconventional superconductors. A previous Brock graduate student grew crystals of CuxTiSe2. The precise doping of the samples was not known. In order to determine the doping parameter x in CuxTiSe2, a sensitive resistivity measurement system was necessary. A new resistivity measurement system was designed and implemented utilizing an Infrared Labs HDL-10 He3 cryostat. By comparing with data from the literature, doping of two samples was investigated using the new measurement system and a Quantum Design Magnetic Property Measurement System (MPMS). Methods for determining the doping revealed that the old resistivity system would not be able to determine the CDW transition temperature of highly doped samples or doping for elongated samples due to electronic noise. Doping in one sample was found to be between x=0.06 and x=0.065. Values of doping in the second sample had a discrepancy but could be explained by incorrect sample orientation.

Étude, par principes premiers, des effets de la corrélation entre électrons sur les propriétés électroniques et magnétiques de polymères pontés et de supraconducteurs à haute température critique

La présente thèse traite de la description de systèmes complexes, notamment des polymères et des cuprates, par la théorie de la fonctionnelle de la densité. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de la densité ainsi que différentes fonctionnelles utilisées pour simuler les matériaux à l’étude sont présentées. Plus spécifiquement, les fonctionnelles LDA et GGA sont décrites et leurs limites sont exposées. De plus, le modèle de Hubbard ainsi que la fonctionnelle LDA+U qui en découle sont abordés dans ce chapitre afin de permettre la simulation des propriétés de matériaux à forte corrélation électronique. Par la suite, les résultats obtenus sur les polymères sont résumés par deux articles. Le premier traite de la variation de la bande interdite entre les polymères pontés et leurs homologues non pontés. Le second se penche sur l’étude de polymères à faible largeur de bande interdite. Dans ce dernier, il sera démontré qu’une fonctionnelle hybride, contenant de l’échange exact, est nécessaire afin de décrire les propriétés électroniques des systèmes à l’étude. Finalement, le dernier chapitre est consacré à l’étude des cuprates supraconducteurs. La LDA+U pouvant rendre compte de la forte localisation dans les orbitales 3d des atomes de cuivre, une étude de l’impact de cette fonctionnelle sur les propriétés électroniques est effectuée. Un dernier article investiguant différents ordres magnétiques dans le La2CuO4 dopé termine le dernier chapitre. On trouve aussi, en annexe, un complément d’information pour le second article et une description de la théorie de la supraconductivité de Bardeen, Cooper et Schrieffer.

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.

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.

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.

Simulation des fonctions de texture bidirectionnelles

Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF). Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données. Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation. Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations. Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type MIP map.

Énergie des vortex dans un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions avec un potentiel d’ordre six

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement.

Time evolution of Nd:YAG laser-induced plasma from GdBa2Cu3O7 high-Tc superconductor

In order to characterise the laser ablation process from high-Tc superconductors, the time evolution of plasma produced by a Q-switching Nd:YAG laser from a GdBa2Cu3O7 superconducting sample has been studied using spectroscopic and ion-probe techniques. It has been observed that there is a fairly large delay for the onset of the emission from oxide species in comparison with those from atoms and ions of the constituent elements present in the plasma. Faster decay occurs for emission from oxides and ions compared with that from neutral atoms. These observations support the view that oxides are not directly produced from the target, but are formed by the recombination process while the plasma cools down. Plasma parameters such as temperature and velocity are also evaluated.

Size dependent fluorescence spectroscopy of nanocolloids of ZnO

In this article we present size dependent spectroscopic observations of nanocolloids of ZnO. ZnO is reported to show two emission bands, an ultraviolet (UV) emission band and another in the green region. Apart from the known band gap 380 nm and impurity 530 nm emissions, we have found some peculiar features in the fluorescence spectra that are consistent with the nanoparticle size distribution. Results show that additional emissions at 420 and 490 nm are developed with particle size. The origin of the visible band emission is discussed. The mechanism of the luminescence suggests that UV luminescence of ZnO colloid is related to the transition from conduction band edge to valence band, and visible luminescence is caused by the transition from deep donor level to valence band due to oxygen vacancies and by the transition from conduction band to deep acceptor level due to impurities and defect states. A correlation analysis between the particle size and spectroscopic observations is also 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

Quantum wire with periodic serial structure

Electron wave motion in a quantum wire with periodic structure is treated by direct solution of the Schrödinger equation as a mode-matching problem. Our method is particularly useful for a wire consisting of several distinct units, where the total transfer matrix for wave propagation is just the product of those for its basic units. It is generally applicable to any linearly connected serial device, and it can be implemented on a small computer. The one-dimensional mesoscopic crystal recently considered by Ulloa, Castaño, and Kirczenow [Phys. Rev. B 41, 12 350 (1990)] is discussed with our method, and is shown to be a strictly one-dimensional problem. Electron motion in the multiple-stub T-shaped potential well considered by Sols et al. [J. Appl. Phys. 66, 3892 (1989)] is also treated. A structure combining features of both of these is investigated

Studies all transport and magnetic properties of nano particle doped MgB2 superconductor for technological applications

This thesis Entitled Studies on transport and magnetic properties of nano particle doped mgb2 superconductor for technological applications.The thesis ahead focuses on the establishment of enhanced superconducting properties in bulk MgB2 via nano particle doping and its conversion into mono/multifilamentary wires. Further, an attempt has also been made to develop prototypes of MgB2 coil and conduction cooled current lead for technological applications. The thesis is configured into 6 chapters. The opening chapter gives an idea on the phenomenon of superconductivity, the various types of superconductors and its applications in different fields. The second chapter is an introduction on MgB2 superconductor and its relevance which includes crystal and electronic structure, superconducting mechanism, basic superconducting properties along with its present international status. The third chapter provides details on the preparation and characterization techniques followed through out the study on MgB2. Fourth chapter discusses the effect of processing temperature and chemical doping using nano sized dopants on the superconducting properties of MgB2• Fifth chapter deals with the optimization of processing parameters and novel preparation techniques for wire fabrication. Sixth chapter furnishes the preparation of multifilamentary wires with various filament configurations, their electromechanical properties and it also incorporates the development of an MgB2 coil and a general purpose conduction cooled current lead.

Semiclassical theory of shot noise in ballistic n+in+ semiconductor structures: relevance of Pauli and long range Coulomb interactions

We work out a semiclassical theory of shot noise in ballistic n+-i-n+ semiconductor structures aiming at studying two fundamental physical correlations coming from Pauli exclusion principle and long-range Coulomb interaction. The theory provides a unifying scheme which, in addition to the current-voltage characteristics, describes the suppression of shot noise due to Pauli and Coulomb correlations in the whole range of system parameters and applied bias. The whole scenario is summarized by a phase diagram in the plane of two dimensionless variables related to the sample length and contact chemical potential. Here different regions of physical interest can be identified where only Coulomb or only Pauli correlations are active, or where both are present with different relevance. The predictions of the theory are proven to be fully corroborated by Monte Carlo simulations.