ORBITAL MIXING IN CO CHEMISORPTION ON TRANSITION-METAL SURFACES

The chemisorption of CO on metal surfaces is widely accepted as a model for understanding chemical bonding between molecules and solid surfaces, but is nevertheless still a controversial subject. Ab initio total energy calculations using density functional theory with gradient corrections for CO chemisorption on an extended Pd{110} slab yield good agreement with experimental adsorption energies. Examination of the spatial distribution of individual Bloch states demonstrates that the conventional model for CO chemisorption involving charge donation from CO 5 sigma states to metal states and back-donation from metal states into CO 2 pi states is too simplistic, but the computational results provide direct insight into the chemical bonding within the framework of orbital mixing (or hybridisation). The results provide a sound basis for understanding the bonding between molecules and metal surfaces.

GRADIENT CORRECTIONS IN DENSITY-FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS FOR SURFACES - CO ON PD(110)

Ab initio total energy calculations have been performed for CO chemisorption on Pd(110). Local density approximation (LDA) calculations yield chemisorption energies which are significantly higher than experimental values but inclusion of the generalised gradient approximation (GGA) gives better agreement. In general, sites with higher coordination of the adsorbate to surface atoms lead to a larger degree of overbinding with LDA, and give larger corrections with GGA. The reason is discussed using a first-order perturbation approximation. It is concluded that this may be a general failure of LDA for chemisorption energy calculations. This conclusion may be extended to many surface calculations, such as potential energy surfaces for diffusion.

The complex ion structure of warm dense carbon measured by spectrally resolved x-ray scattering

We present measurements of the complex ion structure of warm dense carbon close to the melting line at pressures around 100 GPa. High-pressure samples were created by laser-driven shock compression of graphite and probed by intense laser-generated x-ray sources with photon energies of 4.75 keV and 4.95 keV. High-efficiency crystal spectrometers allow for spectrally resolving the scattered radiation. Comparing the ratio of elastically and inelastically scattered radiation, we find evidence for a complex bonded liquid that is predicted by ab-initio quantum simulations showing the influence of chemical bonds under these conditions. Using graphite samples of different initial densities we demonstrate the capability of spectrally resolved x-ray scattering to monitor the carbon solid-liquid transition at relatively constant pressure of 150 GPa. Showing first single-pulse scattering spectra from cold graphite of unprecedented quality recorded at the Linac Coherent Light Source, we demonstrate the outstanding possibilities for future high-precision measurements at 4th Generation Light Sources.

Production of ultracold hydrogen and deuterium via Doppler-cooled Feshbach molecules

A counterintuitive scheme to produce ultracold hydrogen via fragmentation of laser cooled diatomic hydrides is presented where the final atomic H temperature is inversely proportional to the mass of the molecular parent. In addition, the critical density for formation of a Bose-Einstein condensate (BEC) at a fixed temperature is reduced by a factor (mH/mMH)3/2 over directly cooled hydrogen atoms. The narrow Feshbach resonances between a S01 atom and hydrogen are well suited to a tiny center of mass energy release necessary during fragmentation. With the support of ab initio quantum chemistry, it is demonstrated that BaH is an ideal diatomic precursor that can be laser cooled to a Doppler temperature of ∼26μK with just two rovibronic transitions, the simplest molecular cooling scheme identified to date. Preparation of a hydrogen atom gas below the critical BEC temperature Tc is feasible with present cooling technology, with optical pulse control of the condensation process.

Extraordinary mechanical properties of monatomic C3N2 chain

One-dimensional monatomic chains are promising candidates for technical applications in the field of nanoelectronics due to their unique mechanical, electrical and optical properties. In particular, we investigate the mechanical properties including Young's modulus, ultimate strength and ultimate strain, which are necessities for the stability of the materials by the Car-Parrinello molecular dynamics in this work. The comparative studies for the alternating carbon-nitrogen (C₃N₂) chain and carbon chains (carbyne) of different lengths show that the carbon-nitrogen (C-N) chain is obviously stronger and stiffer than carbynes. Thus the C-N chain, which has been found in decomposition products of the nitromethane explosive simulations, could be a superior nano-mechanical material than the carbyne chain. Furthermore, it is found that the bond order of weakest bond in monatomic chains is positively correlated with Young's modulus and ultimate strength of materials.

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.

Insight into CO Activation over Cu(100) under Electrochemical Conditions

The reduction of CO₂ on copper electrodes has attracted great attentions in the last decades, since it provides a sustainable approach for energy restore. During the CO₂ reduction process, the electron transfer to CO_ads is experimentally suggested to be the crucial step. In this work, we examine two possible pathways in CO activation, i.e. to generate COH_ads and CHO_ads, respectively, by performing the state-of-the-art constrained ab initio molecular dynamics simulations on the charged Cu(100) electrode under aqueous conditions, which is close to the realistic electrochemical condition. The free energy profile in the formation of COH_ads via the coupled proton and electron transfer is plotted. Furthermore, by Bader charge analyses, a linear relationship between C-O bond distance and the negative charge in CO fragment is unveiled. The formation of CHO_ads is identified to be a surface catalytic reaction, which requires the adsorption of H atom on the surface first. By comparing these two pathways, we demonstrate that kinetically the formation of COH_ads is more favored than that of CHO_ads, while CHO_ads is thermodynamically more stable. This work reveals that CO activation via COH_ads intermediate is an important pathway in electrocatalysis, which could provide some insights into CO₂ electroreduction over Cu electrodes.

Time-resolved four-wave-mixing spectroscopy for inner-valence transitions

Noncollinear four-wave-mixing (FWM) techniques at near-infrared (NIR), visible, and ultraviolet frequencies have been widely used to map vibrational and electronic couplings, typically in complex molecules. However, correlations between spatially localized inner-valence transitions among different sites of a molecule in the extreme ultraviolet (XUV) spectral range have not been observed yet. As an experimental step toward this goal, we perform time-resolved FWM spectroscopy with femtosecond NIR and attosecond XUV pulses. The first two pulses (XUV-NIR) coincide in time and act as coherent excitation fields, while the third pulse (NIR) acts as a probe. As a first application, we show how coupling dynamics between odd- and even-parity, inner-valence excited states of neon can be revealed using a two-dimensional spectral representation. Experimentally obtained results are found to be in good agreement with ab initio time-dependent R-matrix calculations providing the full description of multielectron interactions, as well as few-level model simulations. Future applications of this method also include site-specific probing of electronic processes in molecules.

Vibrational excitation of the N2+ first negative (0,0), (1,0) and (2,0) bands by electron impact: a theoretical study using the R-matrix approach

Ab initio cross section calculations for vibronic excitation using the R -matrix approach have been performed on the N 2 + molecular ion complex. A three-state close-coupling expansion is used where the electronic target states; X 2 g + , A 2 u and B 2 u + of the molecular cation are represented by a valence configuration-interaction approximation. A non-adiabatic approximation is invoked to study vibronic excitation for the first three negative bands, (0,0), (1,0) and (2,0) of the X-B transition (B 2 u + v ´ X 2 g + v ´´ ) of N 2 + . Fixed-nuclei and non-adiabatic cross section results are compared with the available experimental data for the (0,0) band and the breakdown of the adiabatic fixed-nuclei approximation is clearly evident for the vibronic excitation of the (1,0) and (2,0) bands in this molecular ion complex.

The 2p interloper resonances in collisions

Ab initio electron scattering calculations using the R -matrix approach have been performed for within a three-state valence configuration-interaction model (VCI). The lowest three electronic target states ( , and the ) of this molecular nitrogen cation are included in the close-coupling method, with each state being represented by a valence CI approximation. From a detailed analysis of the resonance structure found in our work for the symmetries we find four prominent Rydberg series of the type , , , and a interloper resonance. This interloper molecular resonance associated with the B state of is seen to cause distortions of the resulting resonance spectra. A comparison of our total cross sections for the X - B transition shows excellent agreement with the available experimental data.

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.

Measurement and modeling of hyperfine properties in ferroic materials

This thesis presents the results of perturbed angular correlation (PAC) experiments , an experimental technique which measures the hyperfine interaction at probes (radioactive ions implanted in the materials to study), from which one infers local information on an atomic scale. Furthermore, abinitio calculations using density functional theory electronic obtain results that directly complement the experiments, and are also used for theoretical research. These methods were applied in two families of materials. The manganites, with the possible existence of magnetic, charge, orbital and ferroelectric orders, are of fundamental and technological interest. The experimental results are obtained in the alkaline-earth manganites (Ca, Ba, Sr), with special interest due to the structural variety of possible polymorphs. With probes of Cd and In the stability of the probe and its location in a wide temperature range is established and a comparison with calculations allows the physical interpretation of the results. Calculations of hyperfine properties in rare-earth manganites are also presented. The second type of materials in which hyperfine properties were studied are the Manganese pnictides: MnAs, MnSb, and MnBi, compounds in which magnetism is fundamental. The experimental results obtained mainly consider the MnAs compound, whose magneto-structural transition is of great interest. The transition is analyzed in detail with the local resolution characteristic of the technique, obtaining information of the character of the transition also with complementary, more conventional techniques. The last work in this thesis uses only the first principles calculations, continuing the theme of the hyperfine interactions, but this time with respect to ferroelectrics. Several transition metal oxides with perovskite or distorted structures are considered. The electric field gradient which exists due to the quadrupole interaction in nuclei is related to the spontaneous electric polarization, the main quantity measured in ferroelectrics. This study provides a fundamental theoretical basis for previous empirical studies, suggesting new directions for research in ferroelectrics and multiferroics using techniques which measure the electric field gradient.

O piloto aviador militar : traços disposicionais, características adaptativas e história de vida

Tese de doutoramento, Psicologia (Psicologia da Social), Universidade de Lisboa, Faculdade de Psicologia, 2015

Multiphysics Simulation of Nanostructured Semiconductor Devices

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

O futurismo russo: Maiakovsky ou a "Nuvem de calças"

Este breve ensaio sobre o poeta e escritor russo Vladimir Mayakovsky é uma modesta tentativa de contribuir para um (re)descobrimento ou para uma simples revisitação da produção literária russa do período soviético, que, por razões muitas vezes apenas de ordem política e não estética, caiu no esquecimento, não sendo traduzida na sua totalidade, como é o caso de Mayakovsky, ou, pura e simplesmente, sendo votada ao “ostracismo”, porque rotulada, a priori ou ab initio, como obras escritas dentro das paredes estreitas do “realismo socialista”, padecendo de falta de criatividade e norteandose, aberta ou dissimuladamente, pelos princípios rígidos e imutáveis de um totalitarismo inflexível. Contudo, nem toda a literatura soviética pode ser enquadrada no realismo socialista, valendo a pena conhecê-la e analisá-la.