Atomic level phenomena on transition metal surfaces

In this study we discuss the atomic level phenomena on transition metal surfaces. Transition metals are widely used as catalysts in industry. Therefore, reactions occuring on transition metal surfaces have large industrial intrest. This study addresses problems in very small size and time scales, which is an important part in the overall understanding of these phenomena. The publications of this study can be roughly divided into two categories: The adsorption of an O2 molecule to a surface, and surface structures of preadsorbed atoms. These two categories complement each other, because in the realistic case there are always some preadsorbed atoms at the catalytically active surfaces. However, all transition metals have an active d-band, and this study is also a study of the in uence of the active d-band on other atoms. At the rst part of this study we discuss the adsorption and dissociation of an O2 molecule on a clean stepped palladium surface and a smooth palladium surface precovered with sulphur and oxygen atoms. We show how the reactivity of the surface against the oxygen molecule varies due to the geometry of the surface and preadsorbed atoms. We also show how the molecular orbitals of the oxygen molecule evolve when it approaches the di erent sites on the surface. In the second part we discuss the surface structures of transition metal surfaces. We study the structures that are intresting on account of the Rashba e ect and charge density waves. We also study the adsorption of suphur on a gold surface, and surface structures of it. In this study we use ab-initio based density functional theory methods to simulate the results. We also compare the results of our methods to the results obtained with the Low-Energy-Electron-Difraction method.

The role of van der Waals interactions in the case of H2 adsorption on ruthenium (0001) surface

Computational material science with the Density Functional Theory (DFT) has recently gained a method for describing, for the first time the non local bonding i.e., van der Waals (vdW) bonding. The newly proposed van der Waals-Density Functional (vdW-DF) is employed here to address the role of non local interactions in the case of H2 adsorption on Ru(0001) surface. The later vdW-DF2 implementation with the DFT code VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) is used in this study. The motivation for studying H2 adsorption on ruthenium surface arose from the interest to hydrogenation processes. Potential energy surface (PES) plots are created for adsorption sites top, bridge, fcc and hcp, employing the vdW-DF2 functional. The vdW-DF yields 0.1 eV - 0.2 eV higher barriers for the dissociation of the H2 molecule; the vdW-DF seems to bind the H2 molecule more tightly together. Furthermore, at the top site, which is found to be the most reactive, the vdW functional suggests no entrance barrier or in any case smaller than 0.05 eV, whereas the corresponding calculation without the vdW-DF does. Ruthenium and H2 are found to have the opposite behaviors with the vdW-DF; Ru lattice constants are overestimated while H2 bond length is shorter. Also evaluation of the CPU time demand of the vdW-DF2 is done from the PES data. From top to fcc sites the vdW-DF computational time demand is larger by 4.77 % to 20.09 %, while at the hcp site it is slightly smaller. Also the behavior of a few exchange correlation functionals is investigated along addressing the role of vdW-DF. Behavior of the different functionals is not consistent between the Ru lattice constants and H2 bond lengths. It is thus difficult to determine the quality of a particular exchange correlation functional by comparing equilibrium separations of the different elements. By comparing PESs it would be computationally highly consuming.

Computational modeling of the properties of TiO2 nanoparticles

In this study we discuss the electronic, structural, and optical properties of titanium dioxide nanoparticles, and also the properties of Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells. The abovementioned properties have been modeled by using computational codes based on the density functional theory. The results achieved show slight evidence on the structure-dependent band gap broadening, and clear blue-shifts in absorption spectra and refractive index functions of ultra-small TiO2 particles. It is also shown that these properties are strongly dependent on the shape of the nanoparticles. Regarding the Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells, it is shown that based on the experimental electrochemical investigation and DFT studies all studied diimine derivatives could serve as potential candidates for the light harvesting, but the e ciencies of the dyes studied are not very promising.

DFT Studies of the Organocatalytic Aldol Reaction and a Frustrated Lewis Pair

The computational study, and in particular the density functional theory (DFT) study of the organocatalytic α-chlorination-aldol reaction and the chiral backbone Frustrated Lewis Pair (FLP) system served as a valuable tool for experimental purposes. This thesis describes methods to consider different transition states of the proline- catalyzed α-chlorination aldol reaction to determine the reasonable transition state in the reaction between the enamine and α-chloro aldehydes. Moreover, the novel intramolecular Frustrated Lewis pair based on a chiral backbone for the asymmetric hydrogenation of imines and enamines was designed and the ability of hydrogen splitting by this new FLP system was examined by computational modeling and calculating the hydrogen activation energy barrier.

Mirroring Enzymes: The Role of H-Bonding In HQuin-BAM Catalyzed Asymmetric Aza-Henry Reactions: A DFT Study into the Reactivity, Mechanism, and Origins of Selectivity

The exact mechanistic understanding of various organocatalytic systems in asymmetric reactions such as Henry and aza-Henry transformations is important for developing and designing new synthetic organocatalysts. The focus of this dissertation will be on the use of density functional theory (DFT) for studying the asymmetric aza-Henry reaction. The first part of the thesis is a detailed mechanistic investigation of a poorly understood chiral bis(amidine) (BAM) Brønsted acid catalyzed aza-Henry reaction between nitromethane and N-Boc phenylaldimine. The catalyst, in addition to acting as a Brønsted base, serves to simultaneously activate both the electrophile and the nucleophile through dual H-bonding during C-C bond formation and is thus essential for both reaction rate and selectivity. Analysis of the H-bonding interactions revealed that there was a strong preference for the formation of a homonuclear positive charge-assisted H-bond, which in turn governed the relative orientation of substrate binding. Attracted by this well-defined mechanistic investigation, the other important aspect of my PhD research addressed a detailed theoretical analysis accounting for the observed selectivity in diastereoselective versions of this reaction. A detailed inspection of the stereodetermining C-C bond forming transition states for monoalkylated nitronate addition to a range of electronically different aldimines, revealed that the origins of stereoselectivity were controlled by a delicate balance of different factors such as steric, orbital interactions, and the extent of distortion in the catalyst and substrates. The structural analysis of different substituted transition states established an interesting dependency on matching the shape and size of the catalyst (host molecule) and substrates (guest molecules) upon binding, both being key factors governing selectivity, in essence, offering an analogy to positive cooperative binding effect of catalytic enzymes and substrates in Nature. In addition, both intra-molecular (intra-host) and inter-molecular (host-guest, guest-guest) stabilizing interactions play a key role to the high π-facial selectivity. The application of dispersion-corrected functionals (i.e., ωB97X-D and B3LYP-D3) was essential for accurately modeling these stabilizing interactions, indicating the importance of dispersion effects in enantioselectivity. As a brief prelude to more extensive future studies, the influence of a triflate counterion on both reactivity and selectivity in this reaction was also addressed.

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.

Influence de la structure moléculaire sur la structure cristalline et électronique de molécules organiques conjuguées : une étude spectroscopique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Caractérisation et modélisation de l’aimant organique NIT-2Py

L'aimant organique NIT-2Py a été caractérisé expérimentalement et ses propriétés ont été simulées numériquement à partir de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le magnétisme dans ce matériau provient de la présence d'un électron non apparié sur chaque molécule qui a ainsi un moment magnétique non nul. Ceci a été confirmé par des simulations sur une molécule isolée. Les molécules de NIT-2Py cristallisent dans le groupe d'espace P21/c avec huit molécules par maille élémentaire pour former la structure cristalline Alpha étudiée dans ce document. Le moment effectif de la susceptibilité et l'entropie magnétique totale montre que ce matériau est un système de spins 1/2 avec un spin par molécule. Les mesures de chaleur spécifique ont mis en évidence la présence de deux phases magnétiques ordonnées à basse température qui sont séparées par un plateau en aimantation. Une première phase est observée à des champs magnétiques inférieurs à 2.2 T et a une température de transition de 1.32 K en champ nul. Les mesures de susceptibilité magnétique et d'aimantation ont permis d'établir que cette phase ordonnée est antiferromagnétique. Ceci est confirmé par les simulations numériques. La deuxième phase est induite par le champ magnétique avec une température de transition de 0.53 K à 6 T. L'information disponible sur cette phase est limitée et l'étude du système à l'extérieur des phases ordonnées en donne une meilleure compréhension. Un modèle de spins S=1/2 isolés et de dimères S=0 isolés reproduit bien les mesures d'aimantation et de chaleur spécifique au-dessus de 3 K. L'application d'un champ magnétique réduit l'écart d'énergie entre le singulet et le triplet du dimère jusqu'au croisement qui se produit à 6 T. La phase induite émerge précisément à ce croisement et on spécule l'existence d'un condensat de Bose-Einstein des états triplets.

Synthesis and properties of d6 metal complexes of bidentate and tridentate ‘super donor’ ligands

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Theoretical study of the fluorinating power of SF6 to vanadocene

Màster Oficial en Química Teòrica i Computacional Curs: 2008-2009, Director: Juan J. Novoa Vide

Phytochemical investigations on ‘black glumed’ Njavara (Oryza sativa L.), the medicinal rice, as compared to staple varieties and evaluation of their antioxidant, anti-inflammatory and anticancer effects

The study was planned to investigate the bioactive compounds in Njavara compared to staple varieties and their bioactivity to substantiate the medicinal properties. Results of the study on chemical indices, antioxidant activity and antiinflammatory activity (in vivo) of Njavara black rice bran and rice in comparison with non-medicinal varieties like Sujatha and Palakkadan Matta rice bran and rice are given. The phytochemical investigation and quantification of Njavara extracts in comparison with staple varieties are detailed in this study. The last chapter is divided in three sections (A, B and C). Section A comprises the antioxidant activity by in vitro assays like DPPH, superoxide anion radical and hydrogen peroxide scavenging activity of the compounds. Also, theoretical studies using DFT were carried out based on DPPH radical scavenging activity for understanding the radical stability and mechanism of antioxidant activity. Section B comprises the anti-inflammatory activity of the identified compounds namely tricin and two flavonolignans in both in vivo and in vitro models. Section C describes the cytotoxicity of the rare flavonolignans, tricin 4’-O-(erythro-β-guaiacylglyceryl) ether and tricin 4’-O-(threo-β-guaiacylglyceryl) ether towards multiple cancer cells belonging to colon, ovarian and breast tumours.

Transverse dipole spin modes in quantum dots

We have carried out a systematic analysis of the transverse dipole spin response of a large-size quantum dot within time-dependent current density functional theory. Results for magnetic fields corresponding to integer filling factors are reported, as well as a comparison with the longitudinal dipole spin response. As in the two-dimensional electron gas, the spin response at high-spin magnetization is dominated by a low-energy transverse mode.

Ground-state self-consistent calculation of quantum dots under magnetic fields: Addition spectrum

A density-functional self-consistent calculation of the ground-state electronic density of quantum dots under an arbitrary magnetic field is performed. We consider a parabolic lateral confining potential. The addition energy, E(N+1)-E(N), where N is the number of electrons, is compared with experimental data and the different contributions to the energy are analyzed. The Hamiltonian is modeled by a density functional, which includes the exchange and correlation interactions and the local formation of Landau levels for different equilibrium spin populations. We obtain an analytical expression for the critical density under which spontaneous polarization, induced by the exchange interaction, takes place.