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.

Les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques et les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués : synthèses et applications

Les cyclopropanes sont des motifs d’une grande importance puisqu’ils sont présents dans plusieurs molécules biologiquement actives en plus d’être de puissants intermédiaires dans la synthèse de molécules complexes. Au cours de cet ouvrage, nous avons développé une nouvelle méthode générale pour la synthèse d’ylures d’iodonium de malonates, soit d’importants précurseurs d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques. Ainsi, à l’aide de ces ylures, une méthode très efficace pour la synthèse d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques racémiques a été développée. Des travaux ont aussi été entrepris pour la synthèse énantiosélective de ces composés. Par ailleurs, les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques ont été utilisés dans le développement de deux nouvelles méthodologies, soit dans une réaction de cycloaddition (3+3) avec des imines d’azométhines et dans la formation d’allènes par l’addition-1,7 de cuprates. Nous avons aussi poursuivi l’étude synthétique du cylindrocyclophane F impliquant l’utilisation de cyclopropanes pour le contrôle des centres chiraux. Ainsi l’addition-1,5 d’un cuprate sur un ester cyclopropane-1,1-dicarboxylique a été utilisée comme l’une des étapes clés de notre synthèse. L’autre centre chiral a pu être contrôlé par l’hydrogénolyse sélective d’un cyclopropylméthanol. Ces études ont, par ailleurs, mené au développement d’une nouvelle réaction d’arylcyclopropanation énantiosélective utilisant des carbénoïdes de zinc générés in situ à partir de réactifs diazoïques. Cette méthode permet d’accéder très efficacement aux cyclopropanes 1,2,3-substitués. De plus, nous avons développé la première réaction de Simmons-Smith catalytique en zinc menant à un produit énantioenrichi.

Synthèse et utilisation de dérivés de cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis vers l'obtention d'allènes hautement substitués

Le présent mémoire a pour sujet le développement d’une méthode rapide et efficace vers la production d’allènes hautement substitués à partir de dérivés cyclopropaniques électrophiles énantioenrichis. L’avancement de méthodes synthétiques intéressantes pour la production asymétrique de ces dérivés de cyclopropane-1,1-diesters sera également présenté. Dans un premier temps, les différentes méthodes de synthèses des cyclopropanes activés seront abordées, ainsi que leur utilisation dans la préparation de molécules plus complexes. Par la suite, les techniques précédentes de préparation asymétrique des allènes seront introduites, démontrant ainsi la difficulté de leur accessibilité. Le développement d’une méthode fiable pour la synthèse de cyclopropane-1,1-diesters utilisant les ylures d’iodonium sera présenté. Finalement, l’accessibilité à plusieurs types d’allènes hautement substitués par l’utilisation de cuprates sera détaillée. Dans une seconde partie, il sera davantage question de l’accessibilité des cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis. Ces derniers sont d’un intérêt particulier, car ils constituent le point de départ de notre méthodologie précédente. Le développement d’une méthode pouvant être utilisée à grande échelle et à faible coût a donc été explorée. Les deux derniers chapitres présenteront donc les tentatives de générer ces cyclopropanes activés par résolution cinétique ou encore par l’hydrogénation asymétrique des cyclopropènes correspondants.

Synthèse stéréosélective de dérivés cyclopropaniques di-accepteurs par catalyse avec des complexes de rhodium(II)

Les dérivés cyclopropaniques di-accepteurs représentent des intermédiaires synthétiques précieux dans l’élaboration de structures moléculaires complexes, ayant des applications dans plusieurs domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces unités sous forme énantioenrichie en utilisant la cyclopropanation d’alcènes par catalyse avec des complexes de Rh(II) utilisant des composés diazoïques di-accepteurs comme substrats. Suite au développement initial d’une méthode de cyclopropanation d’alcènes catalytique asymétrique utilisant des nitro diazocétones, de multiples études expérimentales quant au mécanisme de stéréoinduction dans ce type de réaction ont été effectuées. Nous avons alors pu identifier le groupement p-méthoxyphénylcétone du substrat et le catalyseur Rh2(S-TCPTTL)4 comme étant une combinaison clé pour l’atteinte de diastéréosélectivités et d’excès énantiomères élevés. Ceci a mené au développement de deux autres méthodes de cyclopropanation stéréosélectives distinctes, utilisant soit une cyano diazocétone ou un céto diazoester. Nous avons démontré l’utilité des dérivés cyclopropaniques énantioenrichis obtenus par ces trois méthodes dans une panoplie de manipulations synthétiques, dont l’addition nucléophile d’amines et de cuprates, la cycloaddition formelle avec un aldéhyde, et la synthèse de dérivés cyclopropaniques importants en chimie médicinale. Une étude structurelle approfondie des complexes de Rh(II) chiraux nous a permis de déterminer les facteurs responsables de leur pouvoir d’énantioinduction dans notre système réactionnel, ce qui a d’énormes implications dans d’autres méthodologies utilisant ces mêmes catalyseurs. Le dévoilement d’une conformation inattendue dite ‘All-up’, ainsi que de la présence d’interactions stabilisantes régissant la rigidité de cet arrangement se sont avérés cruciaux dans notre compréhension du mécanisme. Dans le cadre de cette investigation, nous avons développé une méthode générale pour la synthèse de complexes de Rh(II) hétéroleptiques, multipliant ainsi le nombre de catalyseurs accessibles dans l’élaboration éventuelle de nouvelles réactions stéréosélectives, et nous permettant d’effectuer une étude structurelle plus détaillée. De plus, nous avons développé une méthode particulièrement efficace pour la synthèse d’un autre type de dérivé cyclopropanique di-accepteur par catalyse avec des complexes de Rh(II), les cyano-cyclopropylphosphonates. Les produits de cette transformation sont obtenus avec des énantiosélectivités élevées, et sont des substrats intéressants pour des réactions tandem d’ouverture de cycle par addition nucléophile / oléfination de composés carbonylés. De plus, ces composés sont des précurseurs de molécules utiles en chimie médicinale tels que les acides aminocyclopropylphosphoniques.

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.

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.

Effective t-J model Hamiltonian parameters of monolayered cuprate superconductors from ab initio electronic structure calculations

The magnetic coupling constant of selected cuprate superconductor parent compounds has been determined by means of embedded cluster model and periodic calculations carried out at the same level of theory. The agreement between both approaches validates the cluster model. This model is subsequently employed in state-of-the-art configuration interaction calculations aimed to obtain accurate values of the magnetic coupling constant and hopping integral for a series of superconducting cuprates. Likewise, a systematic study of the performance of different ab initio explicitly correlated wave function methods and of several density functional approaches is presented. The accurate determination of the parameters of the t-J Hamiltonian has several consequences. First, it suggests that the appearance of high-Tc superconductivity in existing monolayered cuprates occurs with J/t in the 0.20¿0.35 regime. Second, J/t=0.20 is predicted to be the threshold for the existence of superconductivity and, third, a simple and accurate relationship between the critical temperatures at optimum doping and these parameters is found. However, this quantitative electronic structure versus Tc relationship is only found when both J and t are obtained at the most accurate level of theory.

Studies on High- Tc Superconductors with Inequivalent Conducting Layers

The thesis deals with the study of super conducting properties of layered cuprates within the frame work of a modified Lawrence-Doniach (LD) model. The thesis is organized in seven chapters. Chapter I is a survey of the phenomena and theories of conventional superconductivity which can serve as a springboard for launching the study of the new class of oxide superconductors and it also includes a chronological description of the efforts made to overcome the temperature barrier. Chapter II deals with the structure and properties of the copper oxide superconductors and also the experimental constraints on the theories of high te:::nperature superconductivity. A modified Lawrence-Doniach type of phenomenological model which forms the basis of the presnt study is also discussed. In chapter III~ the temperature dependence of the upper critical field both parallel and perpendicular to the layers is determined and the results are compared with d.c. magnetization measurements on different superconducting compoilllds. The temperature and angular dependence of the lower critical field both parallel and perpendicular to the layers is also discussed. Chapters IV, V and VI deal with thermal fluctuation effects on superconducting properties. Fluctuation specific heat is studied in chapter IV. Paraconductivity both parallel and perpendicular to the layers is discussed in chapter V. Fluctuation diamagnetism is dealt with in chapter VI. Dimensional cross over in the fluctuation regime of all these quantities is also discussed. Chapter VII gives a summary of the results and the conclusions arrived at.

Temperature Dependence of the Intergranular Critical Current Density in Uniaxially Pressed Bi(1.65)Pb(0.35)Sr(2)Ca(2)Cu(3)O(10+delta) Samples

We have studied the normal and superconducting transport properties of Bi(1.65)Pb(0.35)Sr(2)Ca(2)Cu(3)O(10+delta) (Bi-2223) ceramic samples. Four samples, from the same batch, were prepared by the solid-state reaction method and pressed uniaxially at different compacting pressures, ranging from 90 to 250 MPa before the last heat treatment. From the temperature dependence of the electrical resistivity, combined with current conduction models for cuprates, we were able to separate contributions arising from both the grain misalignment and microstructural defects. The behavior of the critical current density as a function of temperature at zero applied magnetic field, J (c) (T), was fitted to the relationship J (c) (T)ae(1-T/T (c) ) (n) , with na parts per thousand 2 in all samples. We have also investigated the behavior of the product J (c) rho (sr) , where rho (sr) is the specific resistance of the grain-boundary. The results were interpreted by considering the relation between these parameters and the grain-boundary angle, theta, with increasing the uniaxial compacting pressure. We have found that the above type of mechanical deformation improves the alignment of the grains. Consequently the samples exhibit an enhance in the intergranular properties, resulting in a decrease of the specific resistance of the grain-boundary and an increase in the critical current density.

Intergranular properties of uniaxially pressed YBa(2)Cu(3)O(7-delta) ceramic samples

We performed measurements of electrical resistivity as a function of temperature, rho(T), in polycrystalline samples of YBa(2)Cu(3)O(7-delta) (Y-123) subjected to different uniaxial compacting pressures. We observed by using X-ray diffractometry that samples have a very similar composition. Most of the identified peaks are related to the superconducting Y-123 phase. Also, from the X-ray diffraction patterns performed, in powder and pellet samples, we estimated the Lotgering factor along the (00l) direction, F((00l)). The results indicate that F((00l)) increases from 0.13 to 0.16. From electrical resistivity measurements as a function of temperature, we were able to separate contributions arising from both the grain misalignment and microstructural defects. We found appreciable degradation in the normal-state transport properties of samples with an increase in uniaxial compacting pressure. It seems that this type of behavior is associated with an increase in the influence of microstructural defects at the intergranular level. The experimental results are analyzed in the framework of a current conduction model of granular samples.

Anelastic spectroscopy in SmBa2Cu3O7

The possibility of variable stoichiometry and the high mobility of oxygen in the CuOx planes of SmBa2Cu3O7 give rise to a rich phase diagram. Measurements of the elastic energy loss and modulus (anelastic spectroscopy) as a function of temperature can distinguish among the different atomic jumps, which occur in the various phases or at different local ordering. In this paper, it is reported anelastic relaxation measurements in SmBa2Cu3O7, above room temperature, using a torsion pendulum operating in frequencies around 40 Hz. The mobility of oxygen atoms in the CuOx planes in the various phases has been discussed and the thermally activated peak of elastic energy dissipation observed around 500 K was interpreted in that framework. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anelastic characterization and superconducting properties of RuSr2GdCu2O8+delta

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Superconductivity as a Bose-Einstein condensation?

Bose-Einstein condensation (BEC) in two dimensions (2D) (e.g., to describe the quasi-2D cuprates) is suggested as the possible mechanism widely believed to underlie superconductivity in general. A crucial role is played by nonzero center-of-mass momentum Cooper pairs (CPs) usually neglected in BCS theory. Also vital is the unique linear dispersion relation appropriate to weakly-coupled bosonic CPs moving in the Fermi sea-rather than in vacuum where the dispersion would be quadratic but only for very strong coupling, and for which BEC is known to be impossible in 2D.

Universal scaling in Bardeen-Cooper-Schrieffer superconductivity in two dimensions in non-s waves

The solutions of a renormalized BCS model are studied in two space dimensions for s, p and d waves for finite-range separable potentials. The gap parameter, the critical temperature T-c, the coherence length xi and the jump in specific heat at T-c as a function of the zero-temperature condensation energy exhibit universal scalings. In the weak-coupling limit, the present model yields a small xi and large T-c, appropriate for high-T-c cuprates. The specific heat, penetration depth and thermal conductivity as functions of temperature show universal scaling for p and d waves.