Emerging contaminants are defined as synthetic or naturally occurring chemicals or microorganisms that are not currently regulated but have the potential to enter the environment and cause adverse ecological and/or human health effects. With recent development in analytical techniques, emerging contaminants have been detected in wastewater, source water, and finished drinking water. These environmental occurrence data have raised public concern about the fate and ecological impacts of such compounds. Concerns regarding emerging contaminants and the many chemicals that are in use or production necessitate a task to assess their potential health effects and removal efficiency during water treatment. Advanced oxidation processes (AOPs) are attractive and promising technologies for emerging contaminant control due to its capability of mineralizing organic compound via reactions with highly active hydroxyl radicals. However, the nonselective reactivity of hydroxyl radicals and the radical chain reactions make AOPs mechanistically complex processes. In addition, the diversity and complexity of the structure of a large number of emerging contaminants make it difficult and expensive to study the degradation pathways of each contaminant and the fate of the intermediates and byproducts. The intermediates and byproducts that are produced may pose potential effects to human and aquatic ecosystems. Consequently, there is a need to develop first-principle based mechanistic models that can enumerate reaction pathway, calculate concentrations of the byproducts, and estimate their human effects for both water treatment and reuse practices. This dissertation develops methods to predict reaction rate constants for elementary reactions that are identified by a previously developed computer-based reaction pathway generator. Many intermediates and byproducts that are experimentally identified for HO* induced reactions with emerging contaminants include common lower molecular weight organic compounds on the basis of several carbons. These lower carbon intermediates and byproducts also react with HO* at relatively smaller reaction rate constants (i.e., k < 109 M-1s-1) and may significantly affect overall performance of AOPs. In addition, the structures of emerging contaminants with various functional groups are too complicated to model. As a consequence, the rate constant predictors are established based on the conventional organic compounds as an initial approch. A group contribution method (GCM) predicts the aqueous phase hydroxyl radical reaction rate constants for compounds with a wide range of functional groups. The GCM is a first comprehensive tool to predict aqueous phase hydroxyl radical reaction rate constants for reactions that include hydrogen-atom abstraction from a C-H bond and/or a O-H bond by hydroxyl radical, hydroxyl radical addition to a C=C unsaturated bond in alkenes and aromatic compounds, and hydroxyl radical interaction with sulfur-, nitrogen-, or phosphorus-atom-containing compounds. The GCM shows predictability; factor of difference of 2 from literature-reported experimental values. The GCM successfully predicts the hydroxyl radical reaction rate constants for a limited number of emerging contaminants. Linear free energy relationships (LFERs) bridge a kinetic property with a thermochemical property. The LFERs is a new proof-of-concept approach for Ab initio reaction rate constants predictors. The kinetic property represents literature-reported and our experimentally obtained hydroxyl radical reaction rate constants for neutral and ionized compounds. The thermochemical property represents quantum mechanically calculated aqueous phase free energy of activation. Various Ab initio quantum mechanical methods and solvation models are explored to calculate the aqueous phase free energy of activation of reactantas and transition states. The quantum mechanically calculcated aqueous phase free energies of activation are within the acceptable range when compared to those that are obtained from the experiments. These approaches may be applied to other reaction mechanisms to establish a library of rate constant predictions for the mechanistic modeling of AOPs. The predicted kinetic information enables one to identify important pathways of AOP mechanisms that are initiated by hydroxyl radical, and can be used to calculate concentration profiles of parent compounds, intermediates and byproducts. The mechanistic model guides the design of experiments that are used to examine the reaction mechanisms of important intermediates and byproducts and the application of AOPs to real fields.

Theoretical strength of solids is defined as the ultimate strength beyond which plastic deformation, fracture, or decohesion would occur. Understanding the microscopic origin from quantum mechanics and thermoelastic formulation is of great importance to mechanical properties and engineering design of various solids. While quite a few theory models have been made in the past century by several generations of scientists, including Frankel and Born, a general and convincing framework has not been fully established. We study this issue from three respects: (1) Unify various elastic stability criteria for solids that determine an upper bound of theoretical strength; (2) with ab initio method, we test the elastic stability conditions of crystal Au. The phenomenon of bifurcation is observed: under hydrostatic expansion, the rhombohedral modulus reaches zero first of all; while under uniaxial tensile stress, the tetragonal shear modulus first reaches zero; (3) propose a nonlinear theoretical formulation of stability criterion. As an analytic method, this scheme is quite simple, in the mean time, it saves computation resource.

The motivations for the research issues addressed in this thesis are based on the needs of the aerospace structural analysis and the design community. The specific focus is related to the characterization and shock induced chemical reactions of multi-functional structural-energetic materials that are also know as the reactive structural materials and their reaction capabilities. Usually motivation for selection of aerospace structural materials is to realize required strength characteristics and favorable strength to weight ratios. The term strength implies resistance to loads experienced during the service life of the structure, including resistance to fatigue loads, corrosion and other extreme conditions. Thus, basically the structural materials are single function materials that resist loads experienced during the service life of the structure. However, it is desirable to select materials that are capable of offering more than one basic function of strength. Very often, the second function is the capability to provide functions of sensing and actuation. In this thesis, the second function is different. The second function is the energetic characteristics. Thus, the choice of dual functions of the material are the structural characteristics and energetic characteristics. These materials are also known by other names such as the reactive material structures or dual functional structural energetic materials. Specifically the selected reactive materials include mixtures of selected metals and metal oxides that are also known as thermite mixtures, reacting intermetallic combinations and oxidizing materials. There are several techniques that are available to synthesize these structural energetic materials or reactive material structures and new synthesis techniques constitute an open research area. The focus of this thesis, however, is the characterization of chemical reactions of reactive material structures that involve two or more solids (or condensed matter). The subject of studies of the shock or thermally induced chemical reactions of the two solids comprising these reactive materials, from first principles, is a relatively new field of study. The published literature on ab initio principles or quantum mechanics based approach contains the ab initio or ab initio-molecular dynamics studies in related fields of a solid and a gas. One such study in the literature involves a gas and a solid. This is an investigation of the adsorption of gasses such as carbon monoxide (CO) on Tungsten. The motivation for these studies is to synthesize alternate or synthetic fuel technology by Fischer-Tropsch process. In this thesis these studies are first to establish the procedure for solid-solid reaction and then to extend that to consider the effects of mechanical strain and temperature on the binding energy and chemisorptions of CO on tungsten. Then in this thesis, similar studies are also conducted on the effect of mechanical strain and temperature on the binding energies of Titanium and hydrogen. The motivations are again to understand the method and extend the method to such solid-solid reactions. A second motivation is to seek strained conditions that favor hydrogen storage and strain conditions that release hydrogen easily when needed. Following the establishment of ab initio and ab initio studies of chemical reactions between a solid and a gas, the next step of research is to study thermally induced chemical reaction between two solids (Ni+Al). Thus, specific new studies of the thesis are as follows: 1. Ab initio Studies of Binding energies associated with chemisorption of (a) CO on W surfaces (111, and 100) at elevated temperatures and strains and (b) adsorption of hydrogen in titanium base. 2. Equations of state of mixtures of reactive material structures from ab initio methods 3. Ab initio studies of the reaction initiation, transition states and reaction products of intermetallic mixtures of (Ni+Al) at elevated temperatures and strains. 4. Press-cure synthesis of Nano-nickel and nano-aluminum based reactive material structures and DTA tests to study experimentally initiation of chemical reactions, due to thermal energy input.

Dans cette thèse nous explorons le diagramme de phase des fullerènes intercalées avec des métaux alcalins lourds, Rb6C60 et Cs6C60, à très haute pression (<50 GPa) et à très haute température (de l'ambiante à 1500 K).<br /><br />Ce travail inclue des expériences d'absorption de rayons X, de diffraction de rayons X, de spectroscopie Raman, ainsi que des calculs DFT ab initio à haute pression.<br /><br />Le couplage entre expériences et calculs permet d'observer que la présence de la forte interaction ionique entre chaque molécule et les ions alcalins, empêche la polymérisation des fullerènes sous pression. Dans le cas de Cs6C60, ceci a permis d'étendre le domaine de stabilité en pression des molécules de C60 d'au moins un facteur deux par rapport aux cristaux de C60 non-intercalés. Dans le cas de Rb6C60 une transition réversible est observée à 35 GPa.<br /><br />Nous avons mis en évidence la déformation progressive de la molécule de fullerène sous pression dans les systèmes étudiés. La compressibilité des deux cristaux a été mesurée et calculée.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'évolution du graphite intercalé avec des atomes alcalins (Li, Rb et Cs) sous haute pression et haute température, procédé susceptible de conduire aux clathrates de carbone, matériaux formés de nano-cages de type sp3 aux propriétés mécaniques proches du diamant et potentiellement supraconducteur à haute température. L'évolution complexe des propriétés structurales et électroniques sous pression des composés CsC8 et RbC8 a été mise en évidence grâce à l'utilisation de sondes locales (spectroscopies d'absoprtion X et Raman) et de sondes à longue distance (diffraction de rayons X et de neutrons). Des nouvelles informations jusqu'à 32 GPa et 16 GPa portant sur le transfert de charge, l'équation d'état, les transitions structurales de CsC8 et RbC8 respectivemement sont apportées. Des calculs ab initio réalisés sur ces clathrates de carbone afin d'étudier leur stabilité ainsi que leurs propriétés sous pression ont permis d'obtenir des indications concernant leur synthèse.

Nous avons mis en évidence les enjeux et difficulités liés à<br />l'étude théorique de la réactivité à travers des systèmes chimiques variés<br />: complexe biomimétique des phosphatases, réaction d'acétalisation/<br />cyclisation tandem, réaction de Pauson-Khand. Au cours de cette<br />dernière étude, nous avons été amené à proposer une nouvelle calibration<br />des sources électrospray.<br />Pour dépasser les limites des méthodes usuelles, nous avons utilisé<br />la métadynamique. Cette méthode permet d'échantillonner l'espace<br />des phases d'un système chimique, tout en s'affranchissant de la<br />problématique des évènements rares. Associée à une dynamique Born-<br />Oppenheimer ab initio, nous avons prouvé son efficacité pour étudier<br />les réactions organométalliques. De plus, nous avons initié une nouvelle<br />stratégie d'évaluation directe de l'entropie grâce à la métadynamique.<br />Les premiers résultats sont prometteurs, que ce soit en chimie organométallique<br />que pour la dissociation du dimère de l'eau.

Le comportement du carbure de silicium cubique sous irradiation a été étudié par modélisation classique et ab initio, en se concentrant sur les processus élémentaires intervenant à l'échelle anométrique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à déterminer les énergies seuil de déplacement, des quantités difficiles à déterminer tant expérimentalement que théoriquement, ainsi que les paires de Frenkel associées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons effectué des simulations en dynamique moléculaire classique et ab initio. Pour l'approche classique, deux<br />types de potentiels ont été utilisés : le potentiel de Tersoff, qui donne des résultats peu satisfaisants, et un nouveau potentiel développé dans le cadre de cette thèse. Ce potentiel permet une meilleure modélisation du SiC sous irradiation que la plupart des potentiels empiriques disponibles pour le SiC. Il est basé sur une fonction de type EDIP, initialement développée pour décrire les défauts dans le silicium, que nous avons généralisé au SiC. Pour l'approche ab initio, la faisabilité des calculs a été validée et des énergies moyennes de 19 eV pour C et 38 eV pour Si ont été déterminées, proches des valeurs empiriques utilisées dans la communauté scientifique. Les résultats obtenus avec le nouveau potentiel EDIP sont globalement en accord avec ces valeurs. Enfin, les processus élémentaires impliqués dans la guérison du cristal ont été étudiés en calculant la stabilité relative des paires de Frenkel formées et en déterminant des mécanismes de recombinaisons possibles par la méthode Nudged Elastic Band.

Les travaux rassemblés dans cette thèse concernent l'analyse des structures électroniques de dichalcogénures de platine et de palladium, composés solides présentant pour certains des anomalies structurales. Une étude préalable à pression ambiante est réalisée sur la famille PtQ2 (Q = O, S, Se et Te). Les quatre composés adoptent un type CdI2 polymère avec un rapport c/a très faible. A l'aide de calculs quantiques (méthodes DFT et EHTB), les phénomènes responsables sont identifiés. Un transfert électronique des anions chalcogénures vers le platine entraîne la diminution du paramètre c, tandis que des facteurs orbitalaires et géométriques provoquent l'augmentation du paramètre a. Un accent particulier est mis sur l'étude de PtO2, seul oxyde lamellaire stable. Des calculs quantiques montrent que c'est le décompte électronique qui gouverne l'arrangement structural. Le remplissage partiel des bandes d(Pt) et sp(Te) pour PtTe2 pose la question de l'équilibre des charges réel dans les chalcogénures. Pour y répondre, l'outil haute pression a été utilisé dans les cas de PtTe2, PdTe2 et PdSe2. Une analyse des distances, couplée avec des calculs DFT, montre que les formulations Pt3+(Te-1,5)2 et Pd2+(Te-1)2 semblent convenir à pression ambiante. Une très forte combinaison entre orbitales p(Q) et d(M) est constatée, empêchant l'établissement clair d'un équilibre des charges. Des expériences de synthèse et de caractérisation structurale par diffraction des rayons X mettent en évidence l'absence de transition de phase pour ces ditellurures. Dans le cas de PtTe2, l'application de pression ne conduit pas à un transfert de charges mais à un réarrangement électronique. Le composé PdSe2 subit quant à lui une transition de phase vers le type pyrite par diminution des distances Pd-Se interfeuillet. Encore une fois, il n'y a pas de transfert électronique mais un réarrangement correspondant à une distorsion Jahn-Teller coopérative. L'influence de la température est ensuite étudiée et montre des réarrangements structuraux très importants dans le type pyrite.

The low dimensions of the state-of-the-art nanoscale transistors exhibit increasing quantum mechanical effects, which are no longer negligible. Gate tunneling current is one of such effects, that is responsible for high power consumption and high working temperature in microprocessors. This in turn put limits on further down scaling of devices. Therefore modeling and calculation of tunneling current is of a great interest. This work provides a review of existing models for the calculation of the gate tunneling current in MOSFETs. The quantum mechanical effects are studied with a model, based on a self-consistent solution of the Schrödinger and Poisson equations within the effective mass approximation. The calculation of the tunneling current is focused on models based on the calculation of carrier’s lifetime on quasi-bound states (QBSs). A new method for the determination of carrier’s lifetime is suggested and then the tunneling current is calculated for different samples and compared to measurements. The model is also applied to the extraction of the “tunneling effective mass” of electrons in ultrathin oxynitride gate dielectrics. Ultrathin gate dielectrics (tox<2 nm) consist of only few atomic layers. Therefore, atomic scale deformations at interfaces and within the dielectric could have great influences on the performance of the dielectric layer and consequently on the tunneling current. On the other hand the specific material parameters would be changed due to atomic level deformations at interfaces. A combination of DFT and NEGF formalisms has been applied to the tunneling problem in the second part of this work. Such atomic level ab initio models take atomic level distortions automatically into account. An atomic scale model interface for the Si/SiO2 interface has been constructed and the tunneling currents through Si/SiO2/Si stack structures are calculated. The influence of single and double oxygen vacancies on the tunneling current is investigated. Atomic level distortions caused by a tensile or compression strains on SiO2 layer as well as their influence on the tunneling current are also investigated. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung von Tunnelströmen in MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors). Zu diesem Zweck wurde ein quantenmechanisches Modell, das auf der selbstkonsistenten Lösung der Schrödinger- und Poisson-Gleichungen basiert, entwickelt. Die Gleichungen sind im Rahmen der EMA gelöst worden. Die Lösung der Schrödinger-Gleichung unter offenen Randbedingungen führt zur Berechnung von Ladungsverteilung und Lebensdauer der Ladungsträger in den QBSs. Der Tunnelstrom wurde dann aus diesen Informationen ermittelt. Der Tunnelstrom wurde in verschiedenen Proben mit unterschiedlichen Oxynitrid Gatedielektrika berechnet und mit gemessenen Daten verglichen. Der Vergleich zeigte, dass die effektive Masse sich sowohl mit der Schichtdicke als auch mit dem Stickstoffgehalt ändert. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein atomistisches Modell zur Berechnung des Tunnelstroms verwendet, welche auf der DFT und NEGF basiert. Zuerst wurde ein atomistisches Modell für ein Si/SiO2-Schichtsystem konstruiert. Dann wurde der Tunnelstrom für verschiedene Si/SiO2/Si-Schichtsysteme berechnet. Das Modell ermöglicht die Untersuchung atom-skaliger Verzerrungen und ihren Einfluss auf den Tunnelstrom. Außerdem wurde der Einfluss einer einzelnen und zwei unterschiedlich positionierter neutraler Sauerstoffleerstellen auf den Tunnelstrom berechnet. Zug- und Druckspannungen auf SiO2 führen zur Deformationen in den chemischen Bindungen und ändern den Tunnelstrom. Auch solche Einflüsse sind anhand des atomistischen Modells berechnet worden.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique. Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3788. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque partie.