Academic literature on the topic 'Modélisation DFT [density functionnal theory]'

Ces dernières années, un nouveau type de polymère donneur d’électron pour des applications photovoltaïques a été étudié de manière intensive, les copolymères à faible bande interdite. Ils sont constitués d’un groupement riche en électron (ER) et d’un groupement pauvre (EP) permettant de contrôler les orbitales frontières et d’induire une délocalisation de l’exciton généré lors du processus de photo-excitation. Une large variété de dispositifs est basée sur ces copolymères avec des rendements d’environ 10% et, pour accroitre leur efficacité, il est nécessaire d’avoir une meilleure compréhension de ces polymères pendant le phénomène de photo-absorption. La chimie théorique apparait comme un outil permettant de prédire différentes propriétés optoélectroniques. Au cours de ce travail, nous avons utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité indépendante (DFT) et dépendante du temps (TD DFT) pour simuler les propriétés optiques d’oligomères de taille croissante avec différents groupements ER et EP. Les propriétés optiques des polymères correspondant ont été extrapolées à l’aide du modèle de Kuhn. Ce criblage théorique nous a permis de sélectionner des systèmes prometteurs à base de benzodithiophène, de benzothiadiazole et de benzofurazane qui ont ensuite été synthétisés par couplage de Stille. Les polymères et oligomères obtenus ont été caractérisés par spectroscopie UV-visible et de fluorescence, chromatographie d’exclusion stérique et par RMN dans le but d’observer des relations structure-propriétés et de faire des corrélations entre résultats expérimentaux et théoriques
During the last decade, a new kind of donor polymers for photovoltaic application have been intensively studied, the low band-gap polymers. They are based on repeating units associating two different moieties, one electron-rich (ER) and one electron-poor (EP), which allow to finely tune the molecular orbitals and to induce a delocalization of the exciton generated upon the photo-excitation process. A large variety of devices are based on such low band-gap polymers, with a power conversion efficiency record around 10%, and, to increase the efficiency, it is necessary to have a better understanding of these polymers during the photo-absorption phenomenon. Computational chemistry isa powerful tool that permits to predict different opto-electronic properties. For this work, we used Density Functional Theory and Time-Dependent Density Functional Theory to compute the optical properties of increasingly large oligomers involving various ER and EP subunits. The optical properties in the polymer limit were then estimated for the different systems by using an extrapolation scheme based on the Kuhn equation. This theoretical screening allowed us to select promising candidates based on benzodithiophene, benzothiadiazole and benzofurazan for syntheses, which were performed by a Stille coupling. The obtained polymers and size-controlled oligomers were further characterized by UV visible spectroscopy, fluorescence, size exclusion chromatography and NMR, in order to extractstructure-properties relationships and correlate experimental results to theoretical data

Les cyclisations radicalaires en cascade de précurseurs insaturés conduisent à des polycycles complexes. La cyclisation radicalaire d’ynamides a été utilisée comme étape clé dans la synthèse totale de la mappicine, un alcaloïde polycyclique naturel. Les N-acylcyanamides, analogues azotés des ynamides, ont aussi été engagés dans des cascades radicalaires. La portée et le mécanisme de cette cascade ont été étudiés, notamment grâce à une modélisation faisant appel aux calculs DFT, et une chimiothèque a été synthétisée. La première synthèse totale par voie radicalaire sans étain de la luotonine A a été effectuée. D’autre part, le système palladium/norbornène a été utilisé dans l’élaboration d’une réaction multi-composants donnant accès à des dihydrophénanthrènes dissymétriques.

Au cours des prochaines années, neuf centrales nucléaires de type UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) devront être démantelées en France. Ces centrales utilisent le graphite comme modérateur et réflecteur de neutrons. Pendant leur exploitation, celui-ci est activé. Leur démantèlement conduira à 23000 tonnes de déchets de graphite irradiés à gérer. Ce travail focalise sur deux radionucléides contenus dans ces déchets : le 36Cl et le 3H. Le 36Cl a l'une des demi-vies les plus longues (301 000 ans). Par contre, le 3H a une demi-vie plus courte (12 ans), mais contribue beaucoup à l'activité initiale des déchets. Différentes données expérimentales suggèrent que le 36Cl et le 3H sont piégés à différents endroits du graphite, comme les boucles de dislocation, les surfaces ou les joints de grains. Le seul mécanisme de migration des radionucléides est le relâchement. Pour cette raison, il est important de comprendre quels sont les pièges et les différentes conditions du relâchement.Le graphite UNGG a une structure complexe, hétérogène et multi-échelle qui diffère du monocristal idéal du graphite. Cependant, pour comprendre les données macroscopiques, les études théoriques à l'échelle nanoscopique et microscopique sont des outils importants, même si elles reposent sur des modèles plus simples. Dans cette thèse, une approche multi-échelle a été utilisée afin d’étudier les interactions des radionucléides avec le graphite ainsi que les mécanismes de diffusion et de piégeage à l'échelle du nm-μm.Les interactions du 3H et du 36Cl avec différents défauts du graphite ont été étudiées dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). L'hydrogène forme une liaison covalente avec le graphite massique ainsi qu'avec ses surfaces (001), (100) et (110). Plusieurs reconstructions de surface ont été explorées. Les résultats montrent que les hypothèses existantes sur le piégeage de l'hydrogène doivent être affinées. Le comportement du Cl est plus complexe. Sa chimisorption est observée sur les surfaces (100) et (110). Cependant, sur la surface (001), le Cl interagit par transfert de charge. Le Cl2 n'interagit que par interactions de van der Waals avec celle-ci. Le Cl2 se dissocie dans le graphite massique.Les diffusions du H et du Cl dans le graphite irradié ont été étudiées en effectuant des simulations de dynamique moléculaire. Les résultats ab initio ont été utilisés pour développer des potentiels de type « bond order » afin de modéliser l'interaction des radionucléides avec la matrice de graphite, qui possède des contributions à court et à long portée. Pour le Cl, un nouveau potentiel a été paramétré qui reproduit toutes les données obtenues au niveau DFT. Pour les interactions 3H-graphite, les potentiels AIREBO/M, pour les interactions C-H, et LCBOP, pour les interactions C-C, ont été utilisés.Pour évaluer l'influence de la structure complexe du graphite UNGG sur le comportement des radionucléides, plusieurs modèles atomiques ont été utilisés pour rendre compte de cette diversité, tels que les surfaces, les joints de grains et les nanopores.Pour le Cl, des simulations d'irradiation ont été réalisées pour une gamme d’énergie allant de 1 à 10 keV et une gamme de température de 200 à 500ºC. Les dépendances à la température et à la direction d'irradiation ont été étudiées. D’une façon générale, les dommages causés par l'irradiation perpendiculaire aux surfaces augmentent avec la température. L'irradiation à des angles d’incidence <90º aux surfaces peut causer plus ou moins de dommages par rapport à l'irradiation perpendiculaire selon le type de surface.Les diffusions du H et du Cl montrent que tous les bords de cristallites avec des liaisons pendantes sont des pièges. Pour le Cl, la diffusion dans le graphite nanoporeux a révélé deux emplacements préférés: les bords des cristallites où le Cl forme une liaison covalente et les coins des microfissures où le Cl interagit par transfert de charge
In the upcoming years, nine nuclear UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) power plants will have to be dismantled in France. In these power plants, nuclear graphite was used as a neutron moderator and reflector, and was activated during operation. The dismantlement will lead to 23000 tons of irradiated graphite waste, which will have to be managed. The graphite is classified as a nuclear waste containing radionuclides with low activity and long half-life. Two radionuclides are the focus of this work: 36Cl and 3H. 36Cl has one of the longest half-lives (about 301000 years) among the waste's radionuclides. 3H has a shorter half-life (12 years), but contributes significantly to the waste’s initial activity. Previous experiments suggest that both, 36Cl and 3H, are mainly fixed at different traps in graphite, which are defective structures, such as dislocation loops, surfaces, or grain boundaries. Since the only significant migration mechanism of these radionuclides is release, it is important to understand where the traps are located and the conditions of the release.UNGG graphite has a complex heterogeneous multi-scale structure which differs substantially from an ideal monocrystal of graphite. However, in order to understand macroscopic data, theoretical studies at the nano- and microscopic scale are an important tool to explain underlying phenomena even though they rely on simpler models due to the limitations of computation power. A multi-scale approach was therefore applied to study the local interactions of the radionuclides with graphite as well as diffusion and trapping mechanisms on the nm-μm length scale.First, the interaction of 3H and 36Cl with defects in graphite was studied with density functional theory (DFT). Hydrogen interacts covalently with bulk graphite as well as with the studied surfaces (001), (100), and (110). Several surface reconstructions were investigated: arch-type reconstructions and in-plane reconstructions. The results show that the existing hypothesis on the trapping of hydrogen needs to be refined. The behavior of Cl is more complex. On the (100) and (110) surface chemisorption is observed. However, on the (001) surface a strong charge transfer interaction is observed for Cl. In contrast to that, Cl2 only interacts via weak van der Waals interactions with this surface. In bulk graphite Cl2 dissociates.The diffusion of H and Cl in irradiated graphite has been investigated by performing molecuar dynamics simulations. The ab initio results were used to develop bond order potentials to model the interaction of radionuclides and the graphite matrix, which attributes for short and long range interactions. For Cl, a new potential has been parameterized which is able to describe all aspects obtained with DFT. For the 3H-graphite interactions, the bond order potential AIREBO/M was used for C-H interactions. For C-C interactions the LCBOP potential was used.To evaluate the influence of the complex heterogeneous structure of the UNGG graphite on the radionuclide's behavior, several different atomic models were studied to account for this diversity such as surfaces, grain boundaries and nanopores.For Cl, irradiation simulations of different systems were performed up to an energy of 10 keV for the primary knock-on atom (PKA), and in a temperature range of 200 to 500ºC. The dependence on temperature and irradiation direction was investigated. In general, direct irradiation damage increases with temperature. Irradiation at incident angles <90º can create more or less damage compared to the perpendicular one depending on the surface type.Diffusion of H and Cl along surfaces shows that all crystallite edges with dangling bonds can serve as traps. For Cl, diffusion in nanoporous graphite revealed two preferred locations : First, the crystallite edges where Cl forms strong covalent; second, the corners of microcracks where Cl interacts via charge transfer

Le travail de sortie d’un métal est une propriété fondamentale en physico-chimie des matériaux. C’est l’énergie nécessaire pour extraire un électron depuis le niveau de Fermi vers le niveau du vide. Il est connu que cette grandeur dépend de la nature du métal, mais aussi que d’autres paramètres ont une influence notable. Ainsi ce travail de thèse montre comment le travail de sortie peut être modulé par une couche de molécules auto assemblées sur la surface métallique, et comment il évolue quand le matériau est sous forme de nanoparticules. La présente étude se concentre sur des nanoparticules d’or (AuNPs) de diamètres compris entre 10 et 60 nm, et étudie les effets de fonctionnalisation par quatre molécules : l’hexanedithiol (HDT), l’aminooctanethiol (AOT), l’acide mercaptohexadecanoïque (MDHA) et le dodécanethiol (DDT). Après une étude détaillée des morphologies des surfaces planes d’or fonctionnalisées par microscopie à force atomique (AFM), des mesures de travail de sortie sur ces surfaces sont effectuées par microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En comparant ces résultats à des mesures de photoémission (UPS), l’effet de chaque fonctionnalisation est mis en évidence. Par exemple, le travail de sortie d’une surface fonctionnalisée par MHDA diminue de -0.30 eV par rapport à une surface d’or non fonctionnalisée. Ces résultats montrent aussi l’effet sur le travail de sortie du temps de contact avec l’atmosphère ambiante. Ensuite, nous abordons le cas des AuNPs, synthétisées par voie colloïdale, puis post-fonctionnalisées par AOT ou par MDHA. La fonctionnalisation des AuNPs est suivie par des mesures optiques basées sur la mesure du pic d’absorption (plasmon) des AuNPs dans le visible. Après fonctionnalisation, leur travail de sortie est mesuré par KPFM. Ces mesures mettent en évidence deux phénomènes : la modification du travail de sortie par la fonctionnalisation, ainsi qu’une variation en fonction de la taille de l’AuNP. Dans le but de comprendre précisément cet effet de taille, nos systèmes ont été modélisés par une approche DFT (density functional theory), et les calculs de travaux de sortie ont été confrontés aux mesures expérimentales. Ces calculs sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux, notamment sur l’évolution du travail de sortie en fonction de la taille des particules, d’environ 1 meV.nm 1
The work function of a metal is a fundamental property in materials study, defined as the energy required to extract an electron from the Fermi level to the vacuum level. It is known that this magnitude depends on the nature of the metal, but also that other parameters have a significant influence. Thus this thesis work shows how the work function can be modulated by a layer of self-assembled molecules on the metal surface, and how it evolves when the material is in the form of nanoparticles. The present study focuses on gold nanoparticles (AuNPs) of diameters between 10 and 60 nm and studies the effects of functionalization by four molecules: hexanedithiol (HDT), aminooctanethiol (AOT), mercaptohexadecanoic acid (MDHA) and dodecanethiol (DDT). After a detailed study of the functionalized plane gold surfaces morphologies by atomic force microscopy (AFM), measurements of work function on these surfaces are carried out by Kelvin probe force microscopy (KPFM). By comparing these results with photoemission measurements (UPS), the effect of each functionalization is highlighted. For example, the work function of a MHDA functionalized gold surface decreases by -0.30 eV compared to a non-functionalized gold surface. These results also show the effect of the contact time with the ambient atmosphere on the work function. Then we discuss the case of colloidal-synthesized AuNPs, then post-functionalized by AOT or MDHA. The functionalization of AuNPs is followed by optical measurements. It is based on the measurement of the absorption peak (plasmon) of AuNPs in the visible. After AuNPs functionalization, their work function is measured by KPFM. These measurements highlight two phenomena: the modification of the work function by the functionalization, as well as a variation according to the size of the particle. In order to understand precisely this size effect, our systems were modeled by a DFT approach (density functional theory), and the work function calculations were compared with the experimental measurements. These calculations are in very good agreement with the experimental results, in particular on the evolution of the work function according to the size of the particles, of approximately -1 meV.nm-1

L'adsorption de CO dans la faujasite échangée au CuI et au Na+ a été modélisée à l'aide des approches quantiques (DFT) et classiques (Monte Carlo). Grâce à l'approche DFT, la surface d'énergie potentielle de la faujasite a été explorée. Différents types d'interactions de CO avec les cations ont été identifiés, pour chacune les effets induits par l'adsorption de CO aux niveaux structural et énergétique ont été analysés, et le calcul de la fréquence de vibration de CO a été réalisé. Grâce aux valeurs obtenues, une nouvelle attribution des spectres d'adsorption de CO dans CuY et NaY a été établie. D'un autre côté, grâce aux simulations Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique, les propriétés d'adsorption (isothermes et enthalpies) de la faujasite vis-à-vis de CO ont été modélisées, et le mécanisme microscopique d'adsorption de CO a été établi. La mise en œuvre de ces simulations a nécessité de paramétrer un nouveau champ de force destiné à décrire les interactions CO/faujasite et CO/CO
CO adsorption in CuI and Na+ exchanged faujasite has been modeled by mean of quantum (DFT) and classical (Monte Carlo) approaches. By mean of the DFT calculations, faujasite potential energy surface has been explored. Different types of CO interactions with the cations have been highlighted, for each one of them CO adsorption effects on the structural and energetic parameters have been analyzed, and calculations of the CO stretching frequency have been performed. Thanks to our calculated values, a new attribution of CO adsorption spectra in CuY and NaY has been established. On another side, by mean of Monte Carlo simulations in the Grand Canonical ensemble, faujasite adsorption properties regarding CO (isotherms and enthalpies) have been modeled, and the CO adsorption mechanism has been established at the microscopic level. The implementation of these simulations has required the derivation of a new force field describing the CO/faujasite and CO/CO interactions

Le but de cette thèse est le développement d'une méthode de formation de composés polycycliques silylés. L'insertion régiosélective d'une entité CpCo(CO) dans la liaison Csp2–Si d'un benzosilacyclobutène a permis d'isoler un cobaltasilabenzocyclopentène. Mis en présence d'insaturations tels que des alcynes ou des alcènes, il se forme un composé bicyclique silylé. Une version intramoléculaire a été développé à partir d'un benzosilacyclobutène présentant une chaîne portant une insaturation, diverses structures tricycliques ont ainsi été synthétisées. Une étude DFT sur le mécanisme de la réaction a été menée. Elle inclue les géométries où se produisent les changements de spin des intermédiaires réactionnels. En marge de cette étude, les mêmes techniques de calculs ont été utilisées pour mettre au jour un mécanisme de la cycloaddition [2+2+2] des alcynes rendant compte de la réactivité particulière des alcynes appauvris en électrons. D'autre part, le mécanisme de la cocyclisation 2:1 d'alcynes et d'alcènes a été étudié.

Dans cette thèse sont montrés des développements de l'approximation de la phase aléatoire (RPA) dans le contexte de théories à séparation de portée. On présente des travaux sur le formalisme de la RPA en général, et en particulier sur le formalisme "matrice diélectrique" qui est exploré de manière systématique. On montre un résumé d'un travail sur les équations RPA dans le contexte d'orbitales localisées, notamment des développements des orbitales virtuelles localisées que sont les "orbitales oscillantes projetées" (POO). Un programme a été écrit pour calculer des fonctions telles que le trou de d'échange, la fonction de réponse, etc... sur des grilles de l'espace réel (grilles parallélépipédiques ou de type "DFT"). On montre certaines de ces visualisations. Dans l'espace réel, on expose une adaptation de l'approximation du dénominateur effectif (EED), développée originellement dans l'espace réciproque en physique du solide. Également, les gradients analytiques des énergies de corrélation RPA dans le contexte de la séparation de portée sont dérivés. Le formalisme développé ici à l'aide d'un lagrangien permet une dérivation tout-en-un des termes courte- et longue-portée qui émergent dans les expressions du gradient, et qui montrent un parallèle intéressant. Des applications sont montrées, telles que des optimisations de géométries aux niveaux RSH-dRPA-I et RSH-SOSEX d'un ensemble de 16 petites molécules, ou encore le calcul et la visualisation des densités corrélées au niveau RSH-dRPA-I
In this thesis are shown developments in the random phase approximation (RPA) in the context of range-separated theories. We present advances in the formalism of the RPA in general, and particularly in the "dielectric matrix" formulation of RPA, which is explored in details. We show a summary of a work on the RPA equations with localized orbitals, especially developments of the virtual localized orbitals that are the "projected oscillatory orbitals" (POO). A program has been written to calculate functions such as the exchange hole, the response function, etc... on real space grid (parallelepipedic or of the "DFT" type) ; some of those visualizations are shown here. In the real space, we offer an adaptation of the effective energy denominator approximation (EED), originally developed in the reciprocal space in solid physics. The analytical gradients of the RPA correlation energies in the context of range separation has been derived. The formalism developed here with a Lagrangian allows an all-in-one derivation of the short- and long-range terms that emerge in the expressions of the gradient. These terms show interesting parallels. Geometry optimizations at the RSH-dRPA-I and RSH-SOSEX levels on a set of 16 molecules are shown, as well as calculations and visualizations of correlated densities at the RSH-dRPA-I level

La connaissance des étoiles et des planètes denses nécessite une détermination fine du comportement thermodynamique de la matière dans ces objets. L'une des approches les plus fécondes aujourd'hui est celle des simulations ab initio, utilisant le formalisme de la physique statistique et la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cette approche a notamment montré ses performances en reproduisant avec succès un grand nombre de résultats expérimentaux.Dans la première partie de ce travail de thèse, ces méthodes sont appliquées à l'étude des« glaces », impliquées dans des planètes telles que Uranus ou Neptune. Nous avons dans un premier temps confirmé le travail pré-existant sur le cas de l'eau (équations d'état et existence d'une phase superionique), puis nos avons étendu ces résultats aux cas de planètes plus denses, telles que les exoplanètes appelées« super-Jupiters ». Nous atteignons des limites de pression auxquelles le comportement est analytiquement connu, nous permettant de proposer un ajustement numérique pour l'eau dans une gamme de pression et température extrêmement large. Les autres glaces(méthane et ammoniac) ont seulement été étudiés dans les conditions des planètes de notre système solaire.Nous nous sommes ensuite intéressés au cas des naines blanches et à leur dynamique de refroidissement ~; il s'agit des restes d'étoiles les plus courants, et ils peuvent ainsi être utilisés comme moyen de datation de la galaxie. En particulier, la composition de ces objets conduit à des transitions de phase binaires ayant de lourdes répercussions sur leur temps de refroidissement. Nous avons investigué ce diagramme binaire à l'aide d'une méthode ab initio, et nous proposons de nouvelles stratégies numériques ainsi que des résultats confirmant partiellement les récents travaux dans le domaine
A correct knowledge of dense stars and planets need an accurate determination of the thermodynamic behavior of matter in these objects. One of the most efficient approaches nowadays is to perform ab initio simulations, using both the statistical physics formalism and the density functionnal theory. This approach has shown its capabilities by reproducing many experimental data.In the first part of this thesis project, these methods are used to study planetary``ices'', found in planets such as Uranus or Neptun. We first confirmed the existing literature on water (equations of state and existence of a superionic phase); we then extended these results to denser planets, such as the so-called ``super-Jupiter''exoplanets. We reach very high pressures, until where the behavior is analytically established; this permitted us to construct a numerical fit for water in a very large temperature and pressure range. The other planetary ices (methane and ammonia) were thenstudied in the conditions of our solar system.We then considered white dwarves, and their cooling dynamics: they are the most usualstar remnants, so that they can be used as cosmochronometers. The composition of these objects lead to binary phase transitions, which can have important consequences on their cooling time. We used ab inition methods to investigate this binary diagram, and wesuggest new numerical strategies, leading to new results which partially confirm theprevious literature