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.

Les trois mondes des régimes fiscaux : l’économie politique du financement des États-providence

Ce mémoire cherche à comprendre un paradoxe : les États-providence les plus généreux, façonnés par des partis sociaux-démocrates, sont financés par des taxes beaucoup plus régressives que les États-providence les moins généreux où les partis de droite, plus souvent au pouvoir, mettent en place une taxation plus progressive. Pour comprendre ce paradoxe, ce mémoire débute en analysant les pressions induites par la mondialisation des capitaux sur la taxation. Ensuite, le mémoire explore les causes institutionnelles des régimes fiscaux en effectuant une revue de la littérature analytique. Ces contraintes institutionnelles et fonctionnelles sur le comportement et les préférences des acteurs politiques permettent de définir trois idéaux-types de régimes fiscaux. Ces idéaux-types cadrent avec la typologie des régimes d’État-providence d’Esping-Andersen. En regroupant des typologies sur les régimes fiscaux et les régimes d’État-providence, ce mémoire souligne que le financement des politiques publiques représente une composante cruciale de l’économie politique de l’État-providence.

Sol-Gel Nanocrystalline Catalytic Titania Powders and Functional Coatings

In the present work Titania bulk powders and coatings were prepared by subjecting titanium isopropoxide solution to a controlled hydrolysis-condensation process. The powders were characterized using techniques such as FTIR for their chemical interactions, TG-DTA for the thermal decomposition features, XRD for the phase assemblage, BET specific surface area analysis for the textural features. The study discusses the preparation methods and the characterization techniques employed and a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the prepared systems. The influence of dopants and leaching on the physico-chemical properties as well as their influence on photo activity is also included. The structural/functional coatings of different Titania compositions includes in this study. Coatings on pre-treated glass surfaces with the best compositions prepared showed 90 % transmittance in the visible region.

Neurotransmitter Functional Role in Neurodegenerative Diseases: human Health

Neuroscience is the study of'tbe ne rvous system , including the i - ; . in, spinal cord and peripheral nerves . Neurons are the basic cells of the brain and nervous system which exerts its functional role through various neurotransmitters and receptor systems . The activity of a nen ren depends on the balance between the number of excitatory and inhibito r y processes affecting it, both processes occurring individually and sin ,tlte-' ,ieously. The functional bal,ince of different neurotransmitters such as Acct >>lcholine (Ach), Dopamine (DA), Serotonin (5-1-17), Nor epinepbri,te (N.1 j, Epinephrine (LPI), Glutamate and Gamma amino butyric acid (GA BA) regulates the growth , division and other vital functions ofa normal cell / organisin (Sudha, 1 998). The micro-environ ; nertt of the cell is controlled / the macro-environment that surrounds the individual. Any change in the cell environment causes imbalance in cell homeostasis and f,ntction. Pollution is a significant cause of imbalance caused iii the inacYcenvironment. Interaction with polluted environments can have an adverse impact on the health of humans. The alarming rise in enviromilmieil cont.iniin :rtion has been linked to rises in levels of pesticides, ndltstr al effluents, domestic Waste, car exhausts and other anthropogenic activities. Persistent exposures to contaminant cause a negative imp,-, on brain health and development . Pollution also causes a change in the neurotransmitters and their receptor function leading to earl.;' recurrence of neurodcge,terative disorders such as flypoxia , Alzbeimers's and Huntington 's disease early in life.

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.

Studies on the Effect of Randomness on the Synchronization of Coupled Systems and on the Dynamics of Intermittently driven systems

Nonlinear dynamics has emerged into a prominent area of research in the past few Decades.Turbulence, Pattern formation,Multistability etc are some of the important areas of research in nonlinear dynamics apart from the study of chaos.Chaos refers to the complex evolution of a deterministic system, which is highly sensitive to initial conditions. The study of chaos theory started in the modern sense with the investigations of Edward Lorentz in mid 60's. Later developments in this subject provided systematic development of chaos theory as a science of deterministic but complex and unpredictable dynamical systems. This thesis deals with the effect of random fluctuations with its associated characteristic timescales on chaos and synchronization. Here we introduce the concept of noise, and two familiar types of noise are discussed. The classifications and representation of white and colored noise are introduced. Based on this we introduce the concept of randomness that we deal with as a variant of the familiar concept of noise. The dynamical systems introduced are the Rossler system, directly modulated semiconductor lasers and the Harmonic oscillator. The directly modulated semiconductor laser being not a much familiar dynamical system, we have included a detailed introduction to its relevance in Chaotic encryption based cryptography in communication. We show that the effect of a fluctuating parameter mismatch on synchronization is to destroy the synchronization. Further we show that the relation between synchronization error and timescales can be found empirically but there are also cases where this is not possible. Studies show that under the variation of the parameters, the system becomes chaotic, which appears to be the period doubling route to chaos.

Studies on function projective synchronization in chaotic and hyperchaotic systems

FPS is a more general form of synchronization. Hyperchaotic systems possessing more than one positive Lypaunov exponent exhibit highly complex behaviour and are more suitable for some applications like secure communications. In this thesis we report studies of FPS and MFPS of a few chaotic and hyperchaotic systems. When all the parameters of the system are known we show that active nonlinear control method can be efectively used to obtain FPS. Adaptive nonlinear control and OPCL control method are employed for obtaining FPS and MFPS when some or all parameters of the system are uncertain. A secure communication scheme based on MFPS is also proposed in theory. All our theoretical calculations are verified by numerical simulations.

Current-density-functional approach to large quantum dots in intense magnetic fields

Within current-density-functional theory, we have studied a quantum dot made of 210 electrons confined in a disk geometry. The ground state of this large dot exhibits some features as a function of the magnetic field (Beta) that can be attributed in a clear way to the formation of compressible and incompressible states of the system. The orbital and spin angular momenta, the total energy, ionization and electron chemical potentials of the ground state, as well as the frequencies of far-infrared edge modes are calculated as a function of Beta, and compared with available experimental and theoretical results.

Density-functional calculations of magnetoplasmons in quantum rings

We have studied the structure and dipole charge-density response of nanorings as a function of the magnetic field using local-spin-density-functional theory. Two small rings consisting of 12 and 22 electrons confined by a positively charged background are used to represent the cases of narrow and wide rings. The results are qualitatively compared with experimental data existing on microrings and on antidots. A smaller ring containing five electrons is also analyzed to allow for a closer comparison with a recent experiment on a two-electron quantum ring.

Nonlinear Optical Properties of Organic and Polymer Systems

Present thesis has discussed the design and synthesis of polymers suitable for nonlinear optics. Most of the molecules that were studied have shown good nonlinear optical activity. The second order nonlinear optical activity of the polymers was measured experimentally by Kurtz and Perry powder technique. The thesis comprises of eight chapters.The theory of NLO phenomenon and a review about the various nonlinear optical polymers has been discussed in chapter 1. The review has provided a survey of NLO active polymeric materials with a general introduction, which included the principles and the origin of nonlinear optics, and has given emphasis to polymeric materials for nonlinear optics, including guest-host systems, side chain polymers, main chain polymers, crosslinked polymers, chiral polymers etc.Chapter 2 has discussed the stability of the metal incorporated tetrapyrrole molecules, porphyrin, chlorin and bacteriochlorin.Chapter 3 has provided the NLO properties of certain organic molecules by computational tools. The chapter is divided into four parts. The first part has described the nonlinear optical properties of chromophore (D-n-A) and bichromophore (D-n-A-A-n-D) systems, which were separated by methylene spacer, by making use of DPT and semiempirical calculations.Chapter 4: A series of polyurethanes was prepared from cardanol, a renewable resource and a waste of the cashew industry by previously designed bifunctional and multifunctional polymers using quantum theoretical approach.Chapter 5: A series of chiral polyurethanes with main chain bis azo diol groups in the polymer backbone was designed and NLO activity was predicted by ZlNDO/ CV methods.In Chapter 7, polyurethanes were first designed by computational methods and the NLO properties were predicted by correction vector method. The designed bifunctional and multifunctional polyurethanes were synthesized by varying the chiral-achiral diol compositions

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.

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.