Crystal growth, Raman scattering and optical properties of the superconductor Cd2Re2O7(16O, 18O)/

Using the Physical Vapor Transport method, single crystals of Cd2Re207 have been grown, and crystals of dimensions up to 8x6x2 mm have been achieved. X-ray diffraction from a single crystal of Cd2Re207 has showed the crystal growth in the (111) plane. Powder X-ray diffraction measurements were performed on ^^O and ^^O samples, however no difference was observed. Assigning the space group Fd3m to Cd2Re207 at room temperature and using structure factor analysis, the powder X-ray diffraction pattern of the sample was explained through systematic reflection absences. The temperatiure dependence of the resistivity measurement of ^^O has revealed two structural phase transitions at 120 and 200 K, and the superconducting transition at 1.0 K. Using Factor Group Analysis on three different structiures of Cd2Re207, the number of IR and Raman active phonon modes close to the Brillouin zone centre have been determined and the results have been compared to the temperature-dependence of the Raman shifts of ^^O and ^*0 samples. After scaling (via removing Bose-Einstein and Rayleigh scattering factors from the scattered light) all spectra, each spectrum was fitted with a number of Lorentzian peaks. The temperature-dependence of the FWHM and Raman shift of mode Eg, shows the effects of the two structurjil phase transitions above Tc. The absolute reflectance of Cd2Re207 - '^O single crystals in the far-infrared spectral region (7-700 cm~^) has been measured in the superconducting state (0.5 K), right above the superconducting state (1.5 K), and in the normal state (4.2 K). Thermal reflectance of the sample at 0.5 K and 1.5 K indicates a strong absorption feature close to 10 cm~^ in the superconducting state with a reference temperature of 4.2 K. By means of Kramers-Kronig analysis, the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity and dielectric function. The real part of optical conductivity shows five distinct active phonon modes at 44, 200, 300, 375, and 575 cm~' at all temperatures including a Drude-like behavior at low frequencies. The imaginary part of the calculated dielectric function indicates a mode softening of the mode 44 cm~' below Tc.

An analysis of decoupling procedures in generating thermal Green's functions of O([lambda]â ´) by the Zubarev equation of motion method

The Zubarev equation of motion method has been applied to an anharmonic crystal of O( ,,4). All possible decoupling schemes have been interpreted in order to determine finite temperature expressions for the one phonon Green's function (and self energy) to 0()\4) for a crystal in which every atom is on a site of inversion symmetry. In order to provide a check of these results, the Helmholtz free energy expressions derived from the self energy expressions, have been shown to agree in the high temperature limit with the results obtained from the diagrammatic method. Expressions for the correlation functions that are related to the mean square displacement have been derived to 0(1\4) in the high temperature limit.

Magnetic and high pressure studies in the YPd5B3C3 system

The macroscopic properties of the superconducting phase in the multiphase compound YPd5B3 C.3 have been investigated. The onset of superconductivity was observed at 22.6 K, zero resistance at 21.2 K, the lower critical field Hel at 5 K was determined to be Hel (5) rv 310 Gauss and the compound was found to be an extreme type-II superconductor with the upper critical field in excess of 55000 Gauss at 15 K. From the upper and lower critical field values obtained, several important parameters of the superconducting state were determined at T = 15 K. The Ginzburg-Landau paramater was determined to be ~ > 9 corresponding to a coherence length ~ rv 80A and magnetic penetration depth of 800A. In addition measurements of the superconducting transition temperature Te(P) under purely hydrostatically applied pressure have been carried out. Te(P) of YPd5B3 C.3 decreases linearly with dTe/dP rv -8.814 X 10-5 Jphonon spectrum and the density of states near the Fermi level.

On the equation of state and atomic mean square displacement of crystals

We have presented a Green's function method for the calculation of the atomic mean square displacement (MSD) for an anharmonic Hamil toni an . This method effectively sums a whole class of anharmonic contributions to MSD in the perturbation expansion in the high temperature limit. Using this formalism we have calculated the MSD for a nearest neighbour fcc Lennard Jones solid. The results show an improvement over the lowest order perturbation theory results, the difference with Monte Carlo calculations at temperatures close to melting is reduced from 11% to 3%. We also calculated the MSD for the Alkali metals Nat K/ Cs where a sixth neighbour interaction potential derived from the pseudopotential theory was employed in the calculations. The MSD by this method increases by 2.5% to 3.5% over the respective perturbation theory results. The MSD was calculated for Aluminum where different pseudopotential functions and a phenomenological Morse potential were used. The results show that the pseudopotentials provide better agreement with experimental data than the Morse potential. An excellent agreement with experiment over the whole temperature range is achieved with the Harrison modified point-ion pseudopotential with Hubbard-Sham screening function. We have calculated the thermodynamic properties of solid Kr by minimizing the total energy consisting of static and vibrational components, employing different schemes: The quasiharmonic theory (QH), ).2 and).4 perturbation theory, all terms up to 0 ().4) of the improved self consistent phonon theory (ISC), the ring diagrams up to o ().4) (RING), the iteration scheme (ITER) derived from the Greens's function method and a scheme consisting of ITER plus the remaining contributions of 0 ().4) which are not included in ITER which we call E(FULL). We have calculated the lattice constant, the volume expansion, the isothermal and adiabatic bulk modulus, the specific heat at constant volume and at constant pressure, and the Gruneisen parameter from two different potential functions: Lennard-Jones and Aziz. The Aziz potential gives generally a better agreement with experimental data than the LJ potential for the QH, ).2, ).4 and E(FULL) schemes. When only a partial sum of the).4 diagrams is used in the calculations (e.g. RING and ISC) the LJ results are in better agreement with experiment. The iteration scheme brings a definitive improvement over the).2 PT for both potentials.

Pressure dependence of spin fluctuations in metallic glasses Zrâ â Niâ â ,Zrâ â (Nix/Feâ â â -x)â â and /Zrx/feâ â â -x

The superconducting transition temperature Tc of metallic glasses ZrxFelOO-x (x=80, 75), Zr75(NixFelOO-x)25 (x=75, 50, 25), and CU2SZr75 were measured under quasi-hydrostatic pressure up to 8 OPa (80kbar). The volume (pressure) dependence of the electron-phonon coupling parameters Aep for CU25Zr75 was calculated using the McMillan equatio11. Using this volume dependence of Aep and the modified McMillan equation which incorporates spin-fluctuations, the volume dependence of the spin fluctuation parameter, Asf, was determined in Zr75Ni25, ZrxFelOO-x , a11d Zr75(NixFelOO-x)25. It was found that with increasing pressure, spinfluctuations are suppressed at a faster rate in ZrxFe lOO-x and Zr75(NixFelOO-x)25, as Fe concentration is increased. The rate of suppression of spin-fluctuations with pressure was also found to be higher in Fe-Zr glasses than in Ni-Zr glasses of similar composition.

Thermodynamic properties and Debye-Waller factor of fee materials

We have calculated the equation of state and the various thermodynamic properties of monatomic fcc crystals by minimizing the Helmholtz free energy derived in the high temperature limit for the quasiharmonic theory, QH, and the lowest-order (cubic and quartic), 'A2, anharmonic terms of the perturbation theory, PT. The total energy in each case is obtained by adding the static energy. The calculation of the thermal properties was carried out for a nearest-neighbour central-force model of the fcc lattice by means of the appropriate thermodynamic relations. We have calculated the lattice constant, the thermal expansion, the coefficient of volume expansion, the specific heat at constant volume and at constant pressure, the isothermal and adiabatic bulk moduli, and the Griineisen parameter, for the rare-gas solids Kr and Xe, and gold. Morse potential and modified Morse potential were each used to represent the atomic interaction for the three fcc materials. For most of the calculated thermodynamic properties from the QH theory, the results for Kr and Xe with the modified Morse potential show an improvement over the results for the Morse potential when compared with the experimental data. However, the results of the 'A 2 equation of state with the modified Morse potential are in good agreement with experiment only in the case of the specific heat at constant volume and at constant pressure. For Au we have calculated the lattice contribution from the QH and 'A 2 PT and the electronic contribution to the thermal properties. The electronic contribution was taken into account by using the free electron model. The results of the thermodynamic properties calculated with the modified Morse potential were similar to those obtained with the Morse potential. U sing the minimized equation of state we also calculated the Mossbauer recoilless fraction for Kr and Xe and the Debye-Waller factor (DWF) for Pb, AI, eu, Ag, and Au. The Mossbauer recoilless fraction was obtained for the above two potentials and Lennard-Jones potential. The L-J potential gives the best agreement with experiment for Kr. No experimental data exists for Xe. At low temperature the calculated DWF results for Pb, AI, and eu show a good agreement with experimental values, but at high temperature the experimental DWF results increase very rapidly. For Ag the computed values were below the expected results at all temperatures. The DWF results of the modified Morse potential for Pb, AI, eu and Ag were slightly better than those of the Morse potential. In the case of Au the calculated values were in poor agreement with experimental results. We have calculated the quasiharmonic phonon dispersion curves for Kr, Xe, eu, Ag, and Au. The calculated and experimental results of the frequencies agree quite well for all the materials except for Au where the longitudinal modes show serious discrepancies with the experimental results. In addition, the two lowest-order anharmonic contributions to the phonon frequency were derived using the Green's function method. The A 2 phonon dispersion curves have been calculated only for eu, and the results were similar to those of the QH dispersion curves. Finally, an expression for the Griineisen parameter "( has been derived from the anharmonic frequencies, and calculated for these materials. The "( results are comparable with those obtained from the thermodynamic definition.

Pressure dependence of superconducting properties of MgB2 /

We prepared samples of MgB2 and ran sets of experiments aimed for investigation of superconducting properties under pressure. We found the value of pressure derivative of the transition temperature -1.2 ± 0.05 K/GPa. Then, using McMillan formula, we found that the main contribution to the change of the transition temperature under the pressure is due to the change in phonon frequencies. Griineisen parameter was calculated to be 7g = 2.4. Our results suggest that MgB2 is a conventional superconductor.

The design of a reflectance spectrometer and its calibration using SrTiO3 /

A new Ultra-High Vacuum (UHV) reflectance spectrometer was successfully designed, making use of a Janis Industries ST-400 sample cryostat, IR Labs bolometer, and Briiker IFS 66 v/S spectrometer. Two of the noteworthy features include an in situ gold evaporator and internal reference path, both of which allow for the experiment to progress with a completely undisturbed sample position. As tested, the system was designed to operate between 4.2 K and 325 K over a frequency range of 60 - 670 cm~^. This frequency range can easily be extended through the addition of appUcable detectors. Tests were performed on SrTiOa, a highly ionic incipient ferroelectric insulator with a well known reflectance. The presence and temperatmre dependence of the lowest frequency "soft" mode were measured, as was the presence of the other two infrared modes. During the structural phase transition from cubic to tetragonal perovskite, the splitting of the second phonon mode was also observed. All of the collected data indicate good agreement with previous measurements, with a minor discrepency between the actual and recorded sample temperatures.

Optical Properties of Sb2Te3, and Dilute Magnetic Semiconductors Sb1.97 VO.03 Te3 and Sb1.94 CrO.06 Te3

This thesis reports on the optical properties of the dilute magnetic semiconductors, Sb1.97 V 0.03 Te3 and Sb1.94Cr0.06Te3, along with the parent compound Sb2Te3' These materials develop a ferromagnetic state at low temperature with Curie temperatures of 22 K and 16 K respectively. All three samples were oriented such that the electric field vector of the light was perpendicular to the c-axis. The reflectance profile of these samples in the mid-infrared (500 to 3000 cm-1) shows a pronounced plasma edge which retracts with decreasing temperature. The far-infrared region of these samples exhibits a phonon at ~ 60 cm-1 which softens as temperature decreases. Kramers-Kronig analysis and a Drude-Lorentz model were employed to determine the optical constants of the bulk samples. The real part of the optical conductivity is shown to consist of intraband contributions at frequencies below the energy gap (~0.26 eV) and interband contributions at frequencies above the energy gap. The temperature dependence of the scattering rate show that a mix of phonon and impurity scattering are present, while the signature of traditional spin disorder (magnetic) scattering was difficult to confirm.

Anisotropie de la photoluminescence dans des nanostructures organiques chirales autoassemblées

Nous investiguons dans ce travail la dynamique des excitons dans une couche mince d’agrégats H autoassemblés hélicoïdaux de molécules de sexithiophène. Le couplage intermoléculaire (J=100 meV) place ce matériau dans la catégorie des semi-conducteurs à couplage de type intermédiaire. Le désordre énergétique et la forte interaction électronsphonons causent une forte localisation des excitons. Les espèces initiales se ramifient en deux états distincts : un état d’excitons autopiégés (rendement de 95 %) et un état à transfert de charge (rendement de 5%). À température de la pièce (293K), les processus de sauts intermoléculaires sont activés et l’anisotropie de la fluorescence décroît rapidement à zéro en 5 ns. À basse température (14K), les processus de sauts sont gelés. Pour caractériser la dynamique de diffusion des espèces, une expérience d’anisotropie de fluorescence a été effectuée. Celle-ci consiste à mesurer la différence entre la photoluminescence polarisée parallèlement au laser excitateur et celle polarisée perpendiculairement, en fonction du temps. Cette mesure nous donne de l’information sur la dépolarisation des excitons, qui est directement reliée à leur diffusion dans la structure supramoléculaire. On mesure une anisotropie de 0,1 après 20 ns qui perdure jusqu’à 50ns. Les états à transfert de charge causent une remontée de l’anisotropie vers une valeur de 0,15 sur une plage temporelle allant de 50 ns jusqu’à 210 ns (période entre les impulsions laser). Ces résultats démontrent que la localisation des porteurs est très grande à 14K, et qu’elle est supérieure pour les espèces à transfert de charge. Un modèle numérique simple d’équations différentielles à temps de vie radiatif et de dépolarisation constants permet de reproduire les données expérimentales. Ce modèle a toutefois ses limitations, notamment en ce qui a trait aux mécanismes de dépolarisation des excitons.

Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Etude ab initio du pnicture de fer supraconducteur LaOFeAs

Le présent mémoire traite de la description du LaOFeAs, le premier matériau découvert de la famille des pnictures de fer, par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus particulièrement, nous allons exposer l’état actuel de la recherche concernant ce matériau avant d’introduire rapidement la DFT. Ensuite, nous allons regarder comment se comparent les paramètres structuraux que nous allons calculer sous différentes phases par rapport aux résultats expérimentaux et avec les autres calculs DFT dans la littérature. Nous allons aussi étudier en détails la structure électronique du matériau sous ses différentes phases magnétiques et structurales. Nous emploierons donc les outils normalement utilisés pour mieux comprendre la structure électronique : structures de bandes, densités d’états, surfaces de Fermi, nesting au niveau de Fermi. Nous tirerons profit de la théorie des groupes afin de trouver les modes phononiques permis par la symétrie de notre cristal. De plus, nous étudierons le couplage électrons-phonons pour quelques modes. Enfin, nous regarderons l’effet de différentes fonctionnelles sur nos résultats pour voir à quel point ceux-ci sont sensibles à ce choix. Ainsi, nous utiliserons la LDA et la PBE, mais aussi la LDA+U et la PBE+U.

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.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

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.