Carbon nanotubes have extraordinary mechanical, electrical, thermal andoptical properties. They are harder than diamond yet exible, have betterelectrical conductor than copper, but can also be a semiconductor or evenan insulator. These ranges of properties of course make carbon nanotubeshighly interesting for many applications. Carbon nanotubes are already usedin products as hockey sticks and tennis rackets for improving strength and exibility. Soon there are mobile phones with exible screens made fromcarbon nanotubes. Also, car- and airplane bodies will probably be mademuch lighter and stronger, if carbon nanotubes are included in the construction.However, the real game changers are; nanoelectromechanical systems(NEMS) and computer processors based on graphene and carbon nanotubes.In this work, we study Young's modulus in the axial direction of carbonnanotubes. This has been done by performing density functional theorycalculations. The unit cell has been chosen as to accommodate for tubes ofdierent radii. This allows for modelling the eect of bending of the bondsbetween the carbon atoms in the carbon nanotubes of dierent radii. Theresults show that Young's modulus decreases as the radius decreases. Ineect, the Young's modulus declines from 1 to 0.8 TPa. This eect can beunderstood because the bending diminishes the pure sp^2 character of thebonds.These results are important and useful in construction, not only when usingcarbon nanotubes but also when using graphene. Our results point towardsa Young's modulus that is a material constant and, above a certain criticalvalue, only weakly dependent on the radius of the carbon nanotube.Graphene can be seen as a carbon nanotube with innite radius.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés structurales, élastiques et électroniques des semi-conducteurs AlN et GaN à l'état fondamental et sous l'effet de pression hydrostatique. Notre travail a été entendu vers l'étude des systèmes semi-magnétiques et semi-conducteurs (GaN:Mn et AlN:Mn). L'étude est menée par utilisation de la nouvelle version du wien2k basée sur une mixture entre le potentiel total – linéaire des ondes planes augmentées / les ondes planes augmentées plus les orbitales locales (FP-L/APW+lo) avec la théorie de la fonctionnelle de densité. En particulier, les états d de gallium sont considérés comme étant des états d'électrons de valence.<br /><br />Pour le calcul des propriétés structurales et électroniques dans les phases wurtzite et zinc blende, nous avons utilisé les deux approximations de la densité locale (LDA) et du gradient généralisé (GGA). Dans ce cas, le paramètre de maille calculé par la GGA est plus large et le module de compression est plus petit comparés à celle calculé par la LDA. Comparer à l'expérience, la GGA n'apporte pas une grande amélioration par rapport à la LDA. Les structures de bandes calculées par la GGA et la LDA sont similaires sauf que le GGA diminue l'énergie de gap direct. Les calcules de l'énergie totale suggèrent que à haute pression, le AlN et le GaN se transforment vers une structure NaCl, ce résultat est manifesté par le caractère ionique répondu dans les nitrures.<br /><br />Nous avons remarqué que nos calculs donnent une excellence description des structures de bandes. Pour le cas du AlN, la transition électronique entre la bande valence et la bande de conduction se diffère entre la structure zinc blende (ZB) et la structure wurtzite (WZ). Dans la phase WZ, nous avons une transition directe au point ? cela a été bien déterminé expérimentalement, contrairement à la phase ZB ou la transition est indirecte entre le point ? et X, ce résultat demeure une prédiction théoriquement. Pour le GaN, la transition électronique dans les deux phases est directe au point ?-? avec l'apparition des états d dans la bande de valence.<br /><br />Pour ressortir de plus amples informations des états électroniques qui constituent les structures de bandes, nous avons tracé les densités d'état (DOS). Les courbes de la DOS présentent un aspect similaire pour les deux structures zinc blende et wurtzite. Ce pendant une étude détaillée des densités d'état totale et locale donne l'originalité des couplages p – p et p – d dans le AlN et GaN respectivement.<br /><br />Pour visualiser le caractère de liaison et le transfert de charge dans ces matériaux, nous avons tracé les densités de charges dans les deux phases zinc blende et wurtzite. Nos résultats montrent qu'il y a un caractère ionique prépondérant et un transfert de charge de Al ou Ga vers N. De plus, nous avons remarqué que la situation dans la phase ZB est analogue que dans la phase WZ et ceci à cause qu'ils ont la même coordination des positions atomiques des premiers proche voisins.<br /><br />Vu l'intérêt apporté à la structure zinc blende récemment synesthésie pour le AlN et le GaN, nous avons étudié les propriétés électroniques sous l'effet de pression. Nous avons varié les gaps d'énergie directe et indirecte sous pression. Nous avons observé un comportement non-lineaire et positif. De plus, ces gaps conservent leurs caractéristiques indirectes ou directes sous l'effet de pression. Nous avons aussi déterminé les potentiels de déformation. L'étude du caractère ionique sous l'effet de pression montre que le facteur d'ionicité augmente en fonction de la pression.<br /><br />Nous nous sommes aussi intéressés à l'étude des propriétés élastiques. Nous avons déterminé les constantes élastiques et le paramètre de déplacement interne qui sont du même ordre que les résultats théoriques disponibles. Ainsi sous l'effet de pression ces paramètres représentent un comportement linéaire. Ces résultats peuvent être considérés comme étant des prédictions fiables pour les semi-conducteurs AlN et GaN.<br /><br />En utilisant le modèle d'Harrison, nous avons déterminé la constante piézoélectrique et la charge effective transversal. Nous avons remarqué que les nitrures ont un comportement particulier (avec un signe opposé) avec les semi-conducteurs de la même classe i e III-V et un comportement semblable avec la classe des II-VI. Cette différence entre les nitrures et les autres III-V est due principalement au caractère de liaison répondu dans les nitrures. Sous effet de pression, la constante piézoélectrique et la charge effective transversal représentent un effet non linéaire. Cet effet est du principalement aux variation de paramètre de déplacement interne en fonction du paramètre de maille ainsi que le transfert de charge.<br /><br />La caractéristique d'empreinte de la perte d'énergie prés du seuil de la structure a été étudiée et analysée pour le AlN et le GaN. Les spectres théoriques indiquent la possibilité à différencier les divers phases en observant le changement dans nombre et la position des pics dans les seuils K et L2,3 pour les éléments Al, N et Ga.<br /><br />La combinaison entre ces semi-conducteurs et les impuretés magnétiques donne naissance une nouvelle classe de matériaux appelés les semi-conducteurs magnétiques dilués. Nous avons déterminé les paramètres de structure optimisés, les énergies de formation et les propriétés électroniques et magnétiques des systèmes AlN:Mn et GaN:Mn. A partir de nos résultats obtenus, nous avons trouvé que la phase ferromagnétique est la phase la plus stable pour ces deux systèmes. <br /><br />En utilisant le paramètre de réseau trouvé par nos calcules, nous avons tracé les densités d'état dans la phase ferromagnétique. L'introduction du Manganèse dans le AlN ou le GaN induit la formation d'une bande d'impureté à l'intérieur de la bande interdite Nous avons observé aussi que l'introduction de Mn ne polarise pas la bande de valence, mais il cause une polarisation des spins non négligeable dans la bande de conduction. Nous avons remarqué aussi que les états 3d du manganèse interagissent fortement avec les états p de l'azote ce qui induit une hybridation p – d. Nous avons déduit les champs cristallins et les écarts d'échange où le dernier est plus large par rapport au premier. Nous avons prédit le caractère ferromagnétique semi-métal pour ces deux systèmes. Nous avons déterminé les constantes d'échange N0? et N0? qui imite les propriétés magnéto-optiques expérimentales. Les moments magnétiques des tous les atomes sont parallèles et l'interaction magnétique de l'atome Mn est de courte ranger et que le moment magnétique total est égal à 4?B.

Substitutional dopants in III-V semi-conductors, such as Si atoms in GaAs, are of great interest for the applications in transistors, Schottky diodes, and doping super-lattices which have been widely employed to control the electrical properties of semi-conductors. Although Si doped GaAs systems have been intensively investigated theoretically and experimentally in the last several decades, some properties are still debated. In order to give a further explanation of Si doped GaAs systems, we systematically studied DX center in bulk GaAs and in GaAs(110), as well as the relative stabilities of different charged systems for Si atom replacing Ga atom at the substitutional site near GaAs(110) surface from first principles ground state method. We show that DX centre is a metastable state in bulk GaAs and completely unstable in the top few layers of GaAs(110). When Si atom replaces Ga atom at the surface, Charge states have an important influence on the stability of the system, and the additional charge is mainly concentrated on the Si atom for charged system. In addition, we studied the STM images of clean GaAs(110) and charged Si:GaAs(110) by employing Tersoff-Hamann approximation. The calculated STM images are in good agreement with experimental results. We show that at the positive bias voltage the positively charged Si atom presents a bright feature while the negatively charged Si atom shows a dark feature. In a semi-conductor, all bands are either completely full or completely empty. It is well known that DFT underestimates the band gaps of semi-conductors, a simple rigid shift can be used to correct the band energies of semi-conductors. Unlike semi-conductor, the fermi energies of metals lie in some bands. Furthermore, it turned out that some noble metals such as Cu and Ag depend on the considered band and k point , therefore, the so-called scissors operator can not be used for the metallic systems. The most successful approach within theoretical method for these metals is the many body perturbation theory. On the other hand, an interesting study for metals is quasi-particle excitations, which play an important role in a rich variety of physical and chemical phenomena such as energy transfer in photochemical reaction, desorption and oxidation of molecules at surfaces, spin transport within bulk metals, across interfaces, and at surfaces. One of the crucial properties of quasi-particle excitation is their lifetimes which determine the duration of these excitations. We carried out the calculations of quasi-particle band-structures and lifetimes for noble metals Cu and Ag within the GW approximation. For Cu, both the calculated positions of the d bands and the width of the d bands is within 0.1 eV compared to the experimental results. For Ag, partial core correction should be included in the pseudo-potential to get reliable positions of the d bands. The calculated lifetime agree with the experiment in the energy region away from the Fermi level, but deviates from the experimental results near the Fermi level where short range interactions which GW approach fails to describe play an important role. For a better description of the lifetime near the Fermi level, higher terms beyond the GW approximation in the many body perturbation theory need to be considered. In addition, the image potential state lifetimes in Cu(100) have been calculated using GW approximation based on the localized Gaussian basis set, and the calculated n=1, 2 imagepotential state lifetimes are in good agreement with experimental results.

The ability of physics to provide an understanding of our Universe lies in the essential interrelation between experiment and theory. But physics does not provide us only reliable representations of the causes acting in nature. Its powerful experimental devices and theoretical methods are the underlying reason of the explosive technological development of our time. LiNbO3 and LiTaO3 represent only one example of the essential impact of both experimental and theoretical investigations on their technological applications. Particularly, LiNbO3 has been the subject of many experimental studies due to its applications in electro-optic and integrated optical devices. Also, the doped LiNbO3 with rare-earth and transition metals could be used, for instance, as a material for tunable lasers. The previous theoretical studies devoted to LiNbO3 and LiTaO3 focused on their electronic structure, being an attempt to understand the microscopic origin of the paraelectric-to-ferroelectric phase transition of these materials. The ab initio lattice dynamics investigations performed so far were mainly aimed to identify the role of the individual atoms vibrations in the energetic of the phase transition. The lack of a reliable model for the zone-center lattice dynamics in these compounds motivated us to investigate this issue by means of ab initio frozen-phonon calculations. On the background of the obtained phonon frequencies and eigenvectors, we unambiguously identified all zone-center modes for LiNbO3 and the A1 ones for LiTaO3. Due to the above mentioned enlargement of the technological applications of LiNbO3 by doping with various ions, we focused on the analysis of the ground-state properties of this material when doped with Fe and Cr. Even if the theoretical approach used in our calculations is not predictive with respect to the optical properties of the physical systems in study, a certain insight on this problem could be gained from the analysis of the effect of the atomic positions relaxation on the impurities energy levels localized in the optical band gap.

I present and discuss the results of calculations ofelectronic structures of perfect and defective CaF2 and BaF2 crystals. These are based on the ab initio Hartree-Fock method with electron correlation corrections and ondensity-functional theory calculations with different exchange-correlation functionals, including hybrid exchange techniques.The defective systems include F centers, M centers, O-V dipoles, Hydrogen impurities and H centers.