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.

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.

L’impact de l’unité centrale sur les propriétés optoélectroniques d’imino-thiophènes électrochromes : s ynthèse et caractérisation

De nouvelles molécules électrochromes à base de thiophène et comportant des liaisons azométhine ont été synthétisées et caractérisées afin d’étudier les relations entre leur structure et leurs propriétés. Le but premier de cette étude a été d’obtenir plus d’information pouvant guider le développement de nouvelles molécules électrochromes performantes à l’aide d’une meilleure compréhension de ce qui influence leurs caractéristiques. La synthèse a été réalisée en évitant l’emploi de conditions réactionnelles difficiles et les quantités d’éléments de transition ont été minimisées. Les nouvelles structures ont permis de vérifier l’effet de la variation de l’unité centrale sur les propriétés finales. Les modifications ont principalement porté sur la longueur effective de conjugaison par l’ajout d’unités de thiophène, ainsi que l’incorporation d’une liaison vinylique. L’effet de la présence de chaînes alkyles sur les positions C3 et C4 des thiophènes du coeur de chaque molécule a également été étudié. Les propriétés telles le potentiel d’oxydation, le nombre d’électrons échangés, la réversibilité des phénomènes d’oxydoréduction, l’absorbance, ainsi que l’électrochromisme chimique et électrochimique ont été étudiées, principalement par voltampérométrie cyclique et spectrométrie UV-visible en solution. De plus, des calculs théoriques ont été effectués afin d’appuyer les résultats obtenus expérimentalement. La modification du coeur de la molécule par ajout de thiophènes voisins n’a pas entraîné de grand déplacement bathochrome du λAbs, et dans le cas des thiophènes dialkylés, un déplacement hypsochrome d’au moins 66 nm a eu lieu causé par la torsion du squelette. L’étude des structures à l’état solide a même révélé l’obtention d’un nouveau composé possédant des propriétés vapochromiques prononcées. Les nouveaux composés électrochromes possèdent des valeurs de λAbs allant de 431 à 513 nm, et des potentiels d’oxydation de 0,8 à 1,2 V.

Using Surface Spectroscopy to Help Interpret STM Images of Chemisorbed Molecules: Application to the Study of the Hydrogenation of Ketones and a-Ketoesters on Pt

Depuis que la haute énantiopureté est nécessaire dans l’industrie pharmaceutique, les études visant à découvrir les mécanismes pour l’hydrogénation énantiosélective de cétones ou céto-esters sur les surfaces, et à rechercher de nouveaux et plus performants catalyseurs asymétriques, sont d’une grande importance. La microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption, la spectroscopie de désorption à température programmée et la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sont des méthodes performantes facilitant la compréhension des mécanismes de réaction. En plus de nous permettre de comprendre les mécanismes réactionnels, les études peuvent fournir des informations sur la dynamique des réactions en catalyse hétérogène ainsi que sur le développement de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de calculer des interactions faibles dans les processus de surface. D’autres parts, les calculs DFT fournissent une aide essentielle à l’interprétation des données de STM et spectroscopie de surface. Dans cette thèse, certains cétones et céto-esters sur la surface de platine sont étudiées par les techniques sophistiquées mentionnées ci-dessus. Mes études démontrent que la combinaison de l’utilisation de la spectroscopie de routine, des nanotechnologies et de nombreux calculs élaborés, est une méthode efficace pour étudier les réactions à la surface car ces techniques explorent les différents aspects de la surface ainsi que s’entraident mutuellement lors de certaines interprétations.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

A New Platinum Complex With Tryptophan: Synthesis, Structural Characterization, Dft Studies And Biological Assays In Vitro Over Human Tumorigenic Cells.

A new platinum(II) complex with the amino acid L-tryptophan (trp), named Pt-trp, was synthesized and characterized. Elemental, thermogravimetric and ESI-QTOF mass spectrometric analyses led to the composition [Pt(C11H11N2O2)2]⋅6H2O. Infrared spectroscopic data indicate the coordination of trp to Pt(II) through the oxygen of the carboxylate group and also through the nitrogen atom of the amino group. The (13)C CP/MAS NMR spectroscopic data confirm coordination through the oxygen atom of the carboxylate group, while the (15)N CP/MAS NMR data confirm coordination of the nitrogen of the NH2 group to the metal. Density functional theory (DFT) studies were applied to evaluate the cis and trans coordination modes of trp to platinum(II). The trans isomer was shown to be energetically more stable than the cis one. The Pt-trp complex was evaluated as a cytotoxic agent against SK-Mel 103 (human melanoma) and Panc-1 (human pancreatic carcinoma) cell lines. The complex was shown to be cytotoxic over the considered cells.

Synthesis, characterization, DFT and Td-dfT study of the [Fe(mnt)(L)(t-BuNC) 2] octahedral complex (L = phen, bipy)

FeBr2 has reacted with an equivalent of mnt2- (mnt = cis-1,2-dicyanoethylene-1,2-dithiolate) and the α-diimine L (L = 1,10'-phenantroline, 2,2'-bipyridine) in THF solution, and followed by adding of t-butyl-isocyanide to give [Fe(mnt)(L)(t-BuNC)2] neutral compound. The products were characterized by infrared, UV-visible and Mössbauer spectroscopy, besides thermogravimetric and conductivity data. The geometry in the equilibrium was calculated by the density functional theory and the electronic spectrum by the time-dependent. The experimental and theoretical results in good agreement have defined an octahedral geometry with two isocyanide neighbours. The π→π* intraligand electronic transition was not observed for cis-isomers in the near-IR spectral region.

Accurate prediction of the Si/SiO(2) interface band offset using the self-consistent ab initio DFT/LDA-1/2 method

We use the density functional theory/local-density approximation (DFT/LDA)-1/2 method [L. G. Ferreira , Phys. Rev. B 78, 125116 (2008)], which attempts to fix the electron self-energy deficiency of DFT/LDA by half-ionizing the whole Bloch band of the crystal, to calculate the band offsets of two Si/SiO(2) interface models. Our results are similar to those obtained with a ""state-of-the-art"" GW approach [R. Shaltaf , Phys. Rev. Lett. 100, 186401 (2008)], with the advantage of being as computationally inexpensive as the usual DFT/LDA. Our band gap and band offset predictions are in excellent agreement with experiments.

4-(2,5-Dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrol-1-yl)benzoic acid: X-ray and DFT-calculated structure

In the title compound, C(11)H(7)NO(4), there is a dihedral angle of 45.80 (7)degrees between the planes of the benzene and maleimide rings. The presence of O-H...O hydrogen bonding and weak C-H...O interactions allows the formation of R (3) 3(19) edge-connected rings parallel to the (010) plane. Structural, spectroscopic and theoretical studies were carried out. Density functional theory (DFT) optimized structures at the B3LYP/6-311 G(d,p) and 6-31++G(d,p) levels are compared with the experimentally determined molecular structure in the solid state. Additional IR and UV theoretical studies allowed the presence of functional groups and the transition bands of the system to be identified.

3-Nitrophenol-4,4 '-bipyridyl N,N '-dioxide (2/1): a DFT study and CSD analysis of DPNO molecular complexes

The title 2:1 complex of 3-nitrophenol (MNP) and 4,4'-bipyridyl N, N'-dioxide (DPNO), 2C(6)H(5)NO(3)center dot C(10)H(8)N(2)O(2) or 2MNP center dot DPNO, crystallizes as a centrosymmetric three-component adduct with a dihedral angle of 59.40 (8)degrees between the planes of the benzene rings of MNP and DPNO (the DPNO moiety lies across a crystallographic inversion centre located at the mid-point of the C-C bond linking its aromatic rings). The complex owes its formation to O-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds [O center dot center dot center dot O = 2.605 (3) angstrom]. Molecules are linked by intermolecular C-H center dot center dot center dot O and C-H center dot center dot center dot N interactions forming R(2)(1) (6) and R(2)(2) (10) rings, and R(6)(6) (34) and R(4)(4) (26) macro-rings, all of which are aligned along the [(1) over bar 01] direction, and R(2)(2) (10) and R(2)(1) (7) rings aligned along the [010] direction. The combination of chains of rings along the [(1) over bar 01] and [010] directions generates the three-dimensional structure. A total of 27 systems containing the DNPO molecule and forming molecular complexes of an organic nature were analysed and compared with the structural characteristics of the dioxide reported here. The N-O distance [1.325 (2) angstrom] depends not only on the interactions involving the O atom at the N-O group, but also on the structural ordering and additional three-dimensional interactions in the crystal structure. A density functional theory (DFT) optimized structure at the B3LYP/6-311G(d,p) level is compared with the molecular structure in the solid state.

DFT and electrochemical studies on nortriptyline oxidation sites

A study on the possible sites of oxidation and epoxidation of nortriptyline was performed using electrochemical and quantum chemical methods; these sites are involved in the biological responses (for example, hepatotoxicity) of nortriptyline and other similar antidepressants. Quantum chemical studies and electrochemical experiments demonstrated that the oxidation and epoxidation sites are located on the apolar region of nortriptyline, which will useful for understanding the molecule`s activity. Also, for the determination of the compound in biological fluids or in pharmaceutical formulations, we propose a useful analytical methodology using a graphite-polyurethane composite electrode, which exhibited the best performance when compared with boron-doped diamond or glassy carbon surfaces.

Synthesis, X-ray analysis and DFT study of 2-amino-3-(N-oxipiridin-4-ilsulfanil)-propionic acid dihydrate

The title compound, C(8)H(14)N(2)O(5)S 2(H(2)O), 2-amino-3-(N-oxipiridin-4-ilsulfanil)-propionic acid dihydrate, is obtained by the reaction of cysteine and 4-nitropyridine N-oxide in dimethylformamide, removing the NO(2) group from the benzene ring and releasing nitrous acid into the solution. The molecule exists as a Zwitterion. Hydrogen bond interactions involving the title molecule and water molecules allow the formation of R(5)(5)(23) edge fused rings parallel to (010). Water molecules are connected independently, forming infinite chains (wires), in square wave form, along the b-axis. The chirality of the cysteine molecule used in the synthesis is retained in the title molecule. A density functional theory (DFT) optimized structure at the B3LYP/6-311G(3df,2p) level allows comparison of calculated and experimental IR spectra.

Synthesis, spectroscopic characterization, DFT studies and biological assays of a novel gold(I) complex with 2-mercaptothiazoline

A new gold(I) complex with 2-mercaptothiazoline (MTZ) with the coordination formula [AuCN(C(3)H(5)NS(2))] was synthesized and characterized by chemical and spectroscopic measurements, OFT studies and biological assays. Infrared (IR) and (1)H, (13)C and (15)N nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopic measurements indicate coordination of the ligand to gold(I) through the nitrogen atom. Studies based on OFT confirmed nitrogen coordination to gold(I) as a minimum of the potential energy surface with calculations of the hessians showing no imaginary frequencies. Thermal decomposition starts at temperatures near 160 degrees C, leading to the formation of Au as the final residue at 1000 degrees C. The gold(I) complex with 2-mercaptothiazoline (Au-MTZ) is soluble in dimethyl sulfoxide (DMSO), and is insoluble in water, methanol, ethanol, acetonitrile and hexane. The antibacterial activities of the Au-MTZ complex were evaluated by an antibiogram assay using the disc diffusion method. The compound showed an effective antibacterial activity against Staphylococcus aureus (Gram-positive) and Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa (Gram-negative) bacterial cells. Biological analysis for evaluation of the cytotoxic effect of the Au-MTZ complex was performed using HeLa cells derived from human cervical adenocarcinoma. The complex presented a potent cytotoxic activity, inducing 85% of cell death at a concentration of 2.0 mu mol L(-1). (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analysis of adsorption data of graphitized thermal carbon black with a DFT-lattice gas theory

In this paper we analyzed the adsorption of gases and vapors on graphitised thermal carbon black by using a modified DFT-lattice theory, in which we assume that the behavior of the first layer in the adsorption film is different from those of second and higher layers. The effects of various parameters on the topology of the adsorption isotherm were first investigated, and the model was then applied in the analysis of adsorption data of numerous substances on carbon black. We have found that the first layer in the adsorption film behaves differently from the second and higher layers in such a way that the adsorbate-adsorbate interaction energy in the first layer is less than that of second and higher layers, and the same is observed for the partition function. Furthermore, the adsorbate-adsorbate and adsorbate-adsorbent interaction energies obtained from the fitting are consistently lower than the corresponding values obtained from the viscosity data and calculated from the Lorentz-Berthelot rule, respectively.