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.

Étude DFT+U des phases structurales du La2CuO4

Ce mémoire traite des propriétés du La2CuO4 dopé en trous, le premier supraconducteur à haute température critique ayant été découvert. Les différentes phases électroniques du cristal y seront présentées, ainsi que le diagramme de phases en dopage de ce matériau. Les trois structures dans lesquelles on peut retrouver ce cristal seront décrites en détail, et leurs liens présumés avec les phases électroniques seront présentés. Il s’en suivra une étude utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité combinée au modèle de Hubbard (DFT+U) des différentes phases structurales, en plus des phases antiferromagnétiques et paramagnétiques. L’effet de la corrélation électronique sur la structure cristalline sera également étudié par l’intermédiaire du paramètre de Hubbard. Le but sera de vérifier si la DFT+U reproduit bien le diagramme de phases expérimentales, et sous quelles conditions. Une étude des effets de l’inclinaison des octaèdres d’oxygène sur la structure électronique sera également présentée.

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.

Étude de dispositifs électroniques moléculaires à l'aide de modèles simples

Cette thèse en électronique moléculaire porte essentiellement sur le développement d’une méthode pour le calcul de la transmission de dispositifs électroniques moléculaires (DEMs), c’est-à-dire des molécules branchées à des contacts qui forment un dispositif électronique de taille moléculaire. D’une part, la méthode développée vise à apporter un point de vue différent de celui provenant des méthodes déjà existantes pour ce type de calculs. D’autre part, elle permet d’intégrer de manière rigoureuse des outils théoriques déjà développés dans le but d’augmenter la qualité des calculs. Les exemples simples présentés dans ce travail permettent de mettre en lumière certains phénomènes, tel que l’interférence destructive dans les dispositifs électroniques moléculaires. Les chapitres proviennent d’articles publiés dans la littérature. Au chapitre 2, nous étudions à l’aide d’un modèle fini avec la méthode de la théorie de la fonctionnelle de la densité de Kohn-Sham un point quantique moléculaire. De plus, nous calculons la conductance du point quantique moléculaire avec une implémentation de la formule de Landauer. Nous trouvons que la structure électronique et la conductance moléculaire dépendent fortement de la fonctionnelle d’échange et de corrélation employée. Au chapitre 3, nous discutons de l’effet de l’ajout d’une chaîne ramifiée à des molécules conductrices sur la probabilité de transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Nous trouvons que des interférences destructives apparaissent aux valeurs propres de l’énergie des chaînes ramifiées isolées, si ces valeurs ne correspondent pas à des états localisés éloignés du conducteur moléculaire. Au chapitre 4, nous montrons que les dispositifs électroniques moléculaires contenant une molécule aromatique présentent généralement des courants circulaires qui sont associés aux phénomènes d’interférence destructive dans ces systèmes. Au chapitre 5, nous employons l’approche « source-sink potential » (SSP) pour étudier la transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Au lieu de considérer les potentiels de sources et de drains exactement, nous utilisons la théorie des perturbations pour trouver une expression de la probabilité de transmission, T(E) = 1 − |r(E)|2, où r(E) est le coefficient de réflexion qui dépend de l’énergie. Cette expression dépend des propriétés de la molécule isolée, en effet nous montrons que c’est la densité orbitalaire sur les atomes de la molécule qui sont connectés aux contacts qui détermine principalement la transmission du dispositif à une énergie de l’électron incident donnée. Au chapitre 6, nous présentons une extension de l’approche SSP à un canal pour des dispositifs électroniques moléculaires à plusieurs canaux. La méthode à multiples canaux proposée repose sur une description des canaux propres des états conducteurs du dispositif électronique moléculaire (DEM) qui sont obtenus par un algorithme auto-cohérent. Finalement, nous utilisons le modèle développé afin d’étudier la transmission du 1-phényl-1,3-butadiène branché à deux rangées d’atomes couplées agissant comme contacts à gauche et à la droite.

Design de nouvelles fonctionnelles en théorie de la fonctionnelle de la densité et conception de polymères pour application à la photovoltaïque organique

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes.

Structure Absorption Spectra Correlation in a Series of 2,6-Dimethyl-4-arylpyrylium Salts

A combined experimental and theoretical study of the absorption spectra of a group of closely related pyrylium perchlorates 1-11 are presented. Minor changes in the position of the substituents lead to drastic changes in the absorption spectra in this series of compounds. We have attempted to explain the observed changes using the x,y-band notation developed by Balaban and co-workers. Absorption spectra of all compounds are compared with results from time-dependent density functional theory (TDDFT) and Zerner’s intermediate neglect of differential overlap (ZINDO/S) level calculations. Results of the calculations are in good agreement with experimental observations and an interesting correlation between Balaban’s notations and the MO transitions are obtained for simple derivatives. It is suggested that for more complex systems such as R- and â-naphthyl substituted systems, the empirical method is not appropriate.

Structure and energetics of mixed 4He-3He drops

Using a finite-range density functional, we have investigated the energetics and structural features of mixed helium clusters. The possibility of doping the cluster with a molecule of sulfur hexafluoride is also considered. It is seen that the repulsion introduced by the impurity strongly modifies the properties of the smallest drops. Although only a qualitative comparison is possible, the gross features displayed by our calculations are in agreement with recent experimental findings.

Spin and density longitudinal response of quantum dots in the time-dependent local-spin-density approximation

The longitudinal dipole response of a quantum dot has been calculated in the far-infrared regime using local-spin-density-functional theory. We have studied the coupling between the collective spin and density modes as a function of the magnetic field. We have found that the spin dipole mode and single-particle excitations have a sizable overlap, and that the magnetoplasmon modes can be excited by the dipole spin operator if the dot is spin polarized. The frequency of the dipole spin edge mode presents an oscillation which is clearly filling factor (v) related. We have found that the spin dipole mode is especially soft for even-n values. Results for selected numbers of electrons and confining potentials are 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

Density modes in spherical 4He shells

We compute the density-fluctuation spectrum of spherical 4HeN shells adsorbed on the outer surface of Cn fullerenes. The excitation spectrum is obtained within the random-phase approximation, with particle-hole elementary excitations and effective interaction extracted from a density-functional description of the shell structure. The presence of one or two solid helium layers adjacent to the adsorbing fullerene is phenomenologically accounted for. We illustrate our results for a selection of numbers of adsorbed atoms on C20, C60, and C120. The hydrodynamical model that has proven successful to describe helium excitations in the bulk and in restricted geometries permits to perform a rather exhaustive analysis of various fluid spherical systems, namely, spheres, cavities, free bubbles, and bound shells of variable size.

Effective mass and dielectric constant mismatch effects in spherical multishell quantum dots

The role of effective mass and dielectric mismatches on chemical potentials and addition energies of many-electron multishell quantum dots (QDs) is explored within the framework of a recent extension of the spin density functional theory. It is shown that although the gross electronic density is located in the wells of these multishell QDs, taking position-dependent effective mass and dielectric constant into account can lead to the appearance of relevant differences in chemical potential and addition energies as compared to standard calculations in which the effective mass and the dielectric constant of the well is assumed for the whole multishell structure.

Neutral atoms in ionic lattices: Excited states of KCl:Ag(0)

The optical-absorption spectrum of a cationic Ag0 atom in a KCl crystal has been studied theoretically by means of a series of cluster models of increasing size. Excitation energies have been determined by means of a multiconfigurational self-consistent field procedure followed by a second-order perturbation correlation treatment. Moreover results obtained within the density-functional framework are also reported. The calculations confirm the assignment of bands I and IV to transitions of the Ag-5s electron into delocalized states with mainly K-4s,4p character. Bands II and III have been assigned to internal transitions on the Ag atom, which correspond to the atomic Ag-4d to Ag-5s transition. We also determine the lowest charge transfer (CT) excitation energy and confirm the assignment of band VI to such a transition. The study of the variation of the CT excitation energy with the Ag-Cl distance R gives additional support to a large displacement of the Cl ions due to the presence of the Ag0 impurity. Moreover, from the present results, it is predicted that on passing to NaCl:Ag0 the CT onset would be out of the optical range while the 5s-5p transition would undergo a redshift of 0.3 eV. These conclusions, which underline the different character of involved orbitals, are consistent with experimental findings. The existence of a CT transition in the optical range for an atom inside an ionic host is explained by a simple model, which also accounts for the differences with the more common 3d systems. The present study sheds also some light on the R dependence of the s2-sp transitions due to s2 ions like Tl+.

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.