Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Étude ab initio des propriétés électroniques de polymères conjugués et de cristaux moléculaires

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

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Calculs ab initio de structures électroniques et de leur dépendance en température avec la méthode GW

Cette thèse porte sur le calcul de structures électroniques dans les solides. À l'aide de la théorie de la fonctionnelle de densité, puis de la théorie des perturbations à N-corps, on cherche à calculer la structure de bandes des matériaux de façon aussi précise et efficace que possible. Dans un premier temps, les développements théoriques ayant mené à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), puis aux équations de Hedin sont présentés. On montre que l'approximation GW constitue une méthode pratique pour calculer la self-énergie, dont les résultats améliorent l'accord de la structure de bandes avec l'expérience par rapport aux calculs DFT. On analyse ensuite la performance des calculs GW dans différents oxydes transparents, soit le ZnO, le SnO2 et le SiO2. Une attention particulière est portée aux modèles de pôle de plasmon, qui permettent d'accélérer grandement les calculs GW en modélisant la matrice diélectrique inverse. Parmi les différents modèles de pôle de plasmon existants, celui de Godby et Needs s'avère être celui qui reproduit le plus fidèlement le calcul complet de la matrice diélectrique inverse dans les matériaux étudiés. La seconde partie de la thèse se concentre sur l'interaction entre les vibrations des atomes du réseau cristallin et les états électroniques. Il est d'abord montré comment le couplage électron-phonon affecte la structure de bandes à température finie et à température nulle, ce qu'on nomme la renormalisation du point zéro (ZPR). On applique ensuite la méthode GW au calcul du couplage électron-phonon dans le diamant. Le ZPR s'avère être fortement amplifié par rapport aux calculs DFT lorsque les corrections GW sont appliquées, améliorant l'accord avec les observations expérimentales.

Ab initio theoretical comparative study of magnetic coupling in KNiF3 and K2NiF4s

The origin of magnetic coupling in KNiF3 and K2 NiF4 is studied by means of an ab initio cluster model approach. By a detailed study of the mapping between eigenstates of the exact nonrelativistic and spin model Hamiltonians it is possible to obtain the magnetic coupling constant J and to compare ab initio cluster-model values with those resulting from ab initio periodic Hartree-Fock calculations. This comparison shows that J is strongly determined by two-body interactions; this is a surprising and unexpected result. The importance of the ligands surrounding the basic metal-ligand-metal interacting unit is reexamined by using two different partitions and the constrained space orbital variation method of analysis. This decomposition enables us to show that this effect is basically environmental. Finally, dynamical electronic correlation effects have found to be critical in determining the final value of the magnetic coupling constant.

Magnetic structure of Li2CuO2: From ab initio calculations to macroscopic simulations

The magnetic structure of the edge-sharing cuprate compound Li2CuO2 has been investigated with highly correlated ab initio electronic structure calculations. The first- and second-neighbor in-chain magnetic interactions are calculated to be 142 and -22 K, respectively. The ratio between the two parameters is smaller than suggested previously in the literature. The interchain interactions are antiferromagnetic in nature and of the order of a few K only. Monte Carlo simulations using the ab initio parameters to define the spin model Hamiltonian result in a Nel temperature in good agreement with experiment. Spin population analysis situates the magnetic moment on the copper and oxygen ions between the completely localized picture derived from experiment and the more delocalized picture based on local-density calculations.

The role of dynamical polarization of the ligand-to-metal charge transfer excitations in the ab initio determination of effective exchange parameters

The role of the bridging ligand on the effective Heisenberg coupling parameters is analyzed in detail. This analysis strongly suggests that the ligand-to-metal charge transfer excitations are responsible for a large part of the final value of the magnetic coupling constant. This permits us to suggest a variant of the difference dedicated configuration interaction (DDCI) method, presently one of the most accurate and reliable for the evaluation of magnetic effective interactions. This method treats the bridging ligand orbitals mediating the interaction at the same level than the magnetic orbitals and preserves the high quality of the DDCI results while being much less computationally demanding. The numerical accuracy of the new approach is illustrated on various systems with one or two magnetic electrons per magnetic center. The fact that accurate results can be obtained using a rather reduced configuration interaction space opens the possibility to study more complex systems with many magnetic centers and/or many electrons per center.

Ab initio study of the charge order and Zener polaron formation in half-doped manganites

The character of the electronic ground state of La0.5Ca0.5MnO3 has been addressed with quantum chemical calculations on large embedded clusters. We find a charge ordered state for the crystal structure reported by Radaelli et al. [Phys. Rev. B 55, 3015 (1997)] and Zener polaron formation in the crystal structure with equivalent Mn sites proposed by Daoud-Aladine et al. [Phys. Rev. Lett. 89, 097205 (2002)]. Important O to Mn charge transfer effects are observed for the Zener polaron.

Coherent tunnelling in Cu2+- and Ag2+-doped MgO and CaO: Cu2+ explored through ab initio calculations

The observation of coherent tunnelling in Cu2+ - and Ag2+ -doped MgO and CaO:Cu2+ was a crucial discovery in the realm of the Jahn-Teller (JT) effect. The main reasons favoring this dynamic behavior are now clarified through ab initio calculations on Cu2+ - and Ag2+ -doped cubic oxides. Small JT distortions and an unexpected low anharmonicity of the eg JT mode are behind energy barriers smaller than 25 cm-1 derived through CASPT2 calculations for Cu2+ - and Ag2+ -doped MgO and CaO:Cu2+ . The low anharmonicity is shown to come from a strong vibrational coupling of MO610- units (M=Cu,Ag) to the host lattice. The average distance between the d9 impurity and ligands is found to vary significantly on passing from MgO to SrO following to a good extent the lattice parameter.

Ab initio study of MF2 (M=Mn, Fe, Co, Ni) rutile-type compounds using the periodic unrestricted Hartree-Fock approach

The ab initio periodic unrestricted Hartree-Fock method has been applied in the investigation of the ground-state structural, electronic, and magnetic properties of the rutile-type compounds MF2 (M=Mn, Fe, Co, and Ni). All electron Gaussian basis sets have been used. The systems turn out to be large band-gap antiferromagnetic insulators; the optimized geometrical parameters are in good agreement with experiment. The calculated most stable electronic state shows an antiferromagnetic order in agreement with that resulting from neutron scattering experiments. The magnetic coupling constants between nearest-neighbor magnetic ions along the [001], [111], and [100] (or [010]) directions have been calculated using several supercells. The resulting ab initio magnetic coupling constants are reasonably satisfactory when compared with available experimental data. The importance of the Jahn-Teller effect in FeF2 and CoF2 is also discussed.

Relativistic ab initio calculations for ion-atom collisions

Within the independent particle model we solve the time-dependent single-particle equation using ab initio SCF-DIRAC-FOCK-SLATER wavefunctions as a basis. To reinstate the many-particle aspect of the collision system we use the inclusive probability formalism to answer experimental questions. As an example we show an application to the case of S{^15+} on Ar where experimental data on the K-K charge transfer are available for a wide range of impact energies from 4.7 to 90 MeV. Our molecular adiabatic calculations and the evaluation using the inclusive probability formalism show good results in the low energy range from 4.7 to 16 MeV impact energy.