Made available in DSpace on 2014-06-12T23:01:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo9174_1.pdf: 8834873 bytes, checksum: 734c0122d1790c64443e1c447eab24d7 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2002 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / É proposta uma nova metodologia de Distribuição de Funções de Base Localmente Densas (LDBS) de modo a diminuir a demanda computacional e manter a precisão dos cálculos ab initio de deslocamentos químicos de 13C e 1H. Os sistemas moleculares foram divididos em três aproximações: balanceada, em que todos os átomos foram descritos com a função de base AhlrichsTZVP, localmente densa (LD), em que o átomo de interesse e os átomos ligados a ele foram descritos com a base estendida (AhlrichsTZVP), sendo os outros átomos descritos com as funções de base menores 3-21G (LD321G) e 6-311G (LD6311G), e simplesmente densa (SD), em que a base estendida é utilizada apenas no átomo de interesse e o restante dos átomos da molécula são descritos com as funções de bases a 3-21G (SD321G) e 6-311G (SD6311G). As estruturas moleculares foram obtidas com o método MP2/6-311G(d,p) e os cálculos de deslocamento químico foram realizados com os métodos B3LYP, MP2 e RHF gerando as seguintes aproximações: B3LYP/AhlrichsTZVP, B3LYP/LD321G, B3LYP/LD6311G, B3LYP/SD321G, B3LYP/SD6311G, MP2/AhlrichsTZVP, MP2/LD321G, MP2/LD6311G, MP2/SD321G, MP2/SD6311G, RHF/AhlrichsTZVP, RHF/LD321G, RHF/LD6311G, RHF/SD321G, RHF/SD6311G. A metodologia MP2/LD321G mostrou-se a mais precisa para 13C: erro médio de 0,39 ppm e RMS de 3,93 ppm, com relação ao experimento, e erro médio de 1,13 ppm, RMS de 1,44 ppm, e um ganho computacional de 3,7 vezes em relação à base de AhlrichsTZVP; e para 1H: erro médio de 0,02 ppm e RMS de 0,33 ppm, em relação ao experimento, e erro médio de 0,11 ppm, RMS de 0,16 ppm, e um ganho computacional de 9,8 vezes em relação à base de AhlrichsTZVP. Além disso, a metodologia LDBS mostrou-se capaz de auxiliar em problemas de assinalamento em espectros de RMN

Orientador: Marcia M. C. Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:09:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_MiriandaSilva_M.pdf: 2610467 bytes, checksum: f48f48cdaf34d2a003b2385139333a61 (MD5) Previous issue date: 2004 / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

In recent decades, the accessibility of nuclear physics has been greatly improved due to the advent of modern supercomputers, as well as theoretical developments in effective field theory and ab initio (first--principles) nuclear approaches. As a result, in modern nuclear theory it is possible to perform realistic quantum many--body calculations of nuclear systems, beginning solely from underlying Standard Model symmetries. A fundamental object of interest in nuclear structure are the nuclear densities, which may be abundantly used in calculation of other nuclear observables. Utilizing the ab initio no--core shell model, a rigorous theoretical approach for calculations involving light--nuclei, we study the coordinate space densities of various nuclear systems and discuss the importance of nonlocality and translation invariance in the densities. In particular, this property is investigated at length in the context of scattering theory, in which optical potentials are constructed from the ab initio no--core shell model densities. We explore the impacts of nonlocality and translation invariance in proton and antiproton scattering, and in the latter we review the first fully microscopic optical potential for antiproton--nucleus scattering. In addition, while the full problem is intractable at present, we assess the potential impact of many--nucleon dynamics on scattering observables. We additionally present an analytic computation of the nuclear kinetic density distribution, derived from the nonlocal nuclear densities. While the nuclear problem has become increasingly tractable, the computational barrier is still ever present, with nuclear calculations pushing the frontier of modern supercomputing. Many approaches have been developed to quell the computational demand, e.g. the similarity renormalization group approach. We introduce and discuss another approach, namely the natural orbitals unitary transformation, which has been shown increase the convergence rate of quantum many--body calculations. Lastly, in the past three years there has revitalized interest in reevaluation of particular Standard Model symmetries. Notably, the Cabibbo--Kobayashi--Maskawa quark mixing matrix has been established as a high--precision test of the Standard Model, capable of pointing to novel physics. Recent theoretical advances in corrections needed to evaluate unitarity of the Cabibbo--Kobayashi--Maskawa matrix have indicated a statistical discrepancy with the Standard Model expectation. In light of this development, using the ab initio no--core shell model with continuum, we pursue a high--precision calculation of the isospin symmetry breaking correction, $\delta_C$. This correction is one of two nuclear structure dependent corrections needed to shed light on this discrepancy, and potentially identify physics beyond the Standard Model. / Graduate

La structure et la spectroscopie de molécules d'intérêt astrophysique ont été étudiées par des méthodes de calcul électronique ab initio hautement corrélées. Notre démarche a tout d'abord été d'étudier des systèmes allant de deux à quatre atomes, afin de voir l'influence du niveau de calcul électronique utilisé lors de la détermination de données comparables aux résultats expérimentaux. Ainsi, l'étude de la spectroscopie des états électroniques de la molécule AlCl a été entreprise. Les résultats obtenus pour ce système reproduisent parfaitement les mesures expérimentales existantes tout en introduisant la compréhension des phénomènes observés. Nous avons ensuite prédit un ensemble de données pour les ions AlCl+ et AlCl2+, en utilisant la même méthodologie. Nous avons également entrepris des calculs de durée de vie de prédissociation pour les molécules SH et SH+. Nos courbes d'énergie potentielle hautement corrélée nous ont permis de reproduire avec une grande précision les durées de vie de prédissociation des niveaux rovibrationnels de SH. Par la suite, nous avons étudié une molécule d'intérêt astrophysique, détectée dans l'atmosphère de Titan, N2H+. Nous avons généré des surfaces d'énergie potentielle multidimensionnelles pour les états fondamentaux des molécules N2H+, N2H2+ et N2HAr+. Ces surfaces ont été utilisées pour le calcul des niveaux rovibrationnels de ces ions et de leurs espèces deutérées. Un excellent accord avec les donné es expérimentales disponibles a été obtenu, et un ensemble de constantes spectroscopiques a été prédit. Enfin, nous nous sommes intéressés à une molécule plus grande, Si(C2H3)4. Cette étude nous a permis d'établir une méthodologie pour le calcul de la structure et des états électroniques excités de molécules de taille moyenne. Nous avons également effectué des calculs sur l'ion Si(C2H3)4+, afin d'interpréter sa fragmentation mesurée lors de l'expérience d'impact d'électron réalisée à l'Université de Bratislava durant cette thèse / Highly correlated ab initio methodologies were used to investigate the structure and the spectroscopy of small and medium sized molecules at different levels of theory. Our results are compared to the available experimental data. For the AlCl molecule, our computed spectroscopic constants were in good agreement with the experimental ones, allowing us to predict a set of predictive data for the less known AlCl+ and AlCl2+ ions. After that, we treated the predissociation lifetimes of the A state of SH and SH+. Our highly correlated calculations allowed us to reproduce the lifetimes measured experimentally. Thereafter, multidimensional potential energy surfaces of the ground state of N2H+, N2H2+ and N2HAr+ were generated. These surfaces were used for the calculations of rovibrational levels of these ions and their respective deuterated species. An overall excellent agreement was obtained comparing to the available experimental measurements. Finall y, we investigated the Si(C2H3)4 molecule in order to establish a methodology for the treatment of the structure and electronic excited states of medium sized molecules. We also studied the reactivity of the Si(C2H3)4+ ion for a tentative assignment of the mass spectra obtained in the University of Bratislava by an electron impact experiment

To obtain accurate adsorption energies of molecules on surfaces is a challenging task as the methods with sufficient accuracy are too computationally demanding to be applied to the systems of interest. Embedding theories provide a natural remedy: focus the computation on a small region and incorporate the effects of the environment. In this thesis, embedding schemes and the response of many-electron systems to an adsorbed impurity are investigated. To this end, two approaches are used: tight-binding and ab initio. In the tight-binding method, the Green's function formalism is studied and explicit expressions for Green's functions of various one- and two-dimensional models are obtained. Using this formalism, we study qualitatively the local density of states and adsorption energies. In the second part of this thesis, state-of-the-art ab initio methods are employed to study convergence of the subtractive embedding scheme for adsorption energies of small closed-shell systems on two-dimensional graphene and hexagonal boron nitride. The efficiency and applicability of the scheme are assessed for neon and hydrogen fluoride as adsorbates. We found that the studied embedding method works better for neon compared to hydrogen fluoride, which may be explained by the use of a two-body dispersion correction.

Nitretos do grupo III (BN, AlN, GaN e InN) são comumente utilizados em dispositivos optoeletrônicos operando na faixa de comprimentos de onda do azul ao ultravioleta tais como lasers, diodos emissores de luz, transistores, fotodetetores, anúncios luminosos e revestimento de ferramentas abrasivas. Os nitretos do grupo III em geral apresentam elevada tolerância a altas temperaturas, suportam altas injeções de corrente elétrica em dispositivos, apresentam rigidez mecânica e formam ligas do tipo cátion-cátion-nitrogênio o que permite a engenharia dos gaps fundamentais de energia requerida para aplicações em ótica. A estrutura mais estável e mais utilizada em aplicações dos nitretos do grupo III é a estrutura wurtzita com exceção de BN para o qual a estrutura cúbica zincblende é a mais estável. Recentemente AlN, GaN e InN têm sido sintetizados em sua fase zincblende que em princípio oferece vantagens com relação à fase wurtzita como mais alta simetria da rede. Cristais semicondutores em geral apresentam imperfeições ou defeitos (vacâncias, deslocamentos etc) bem como certa quantidade de impurezas. Para obter as propriedades desejadas no material semicondutor é usual a introdução de impurezas no processo conhecido como dopagem. Como a síntese dos nitretos do grupo III e suas ligas na fase zincblende é recente, apresentamos no que segue um estudo das propriedades estruturais e eletrônicas dos nitretos cúbicos utilizando a teoria do funcional densidade (DFT), super células, a aproximação de densidade local (LDA) e a aproximação do gradiente generalizado (GGA). Em seguida, combinamos métodos ab initio e de mecânica estatística para o estudo de defeitos nas ligas ternárias AlxGa1-xN tomando como exemplo a vacância de nitrogênio em vários estados de carga. Um estudo de impurezas do grupo IV (C, Si e Ge) substitucionais em AlN e GaN, as quais são tradicionalmente utilizadas em tecnologia de semicondutores é apresentado bem como o estudo de impurezas do grupo V (P, As e Sb), abordando níveis de impureza no gap fundamental, geometria da rede e energia de relaxação. Estudamos com mais detalhe a impureza de carbono substitucional ao sítio de nitrogênio em BN, AlN, GaNe InN, utilizando super células contendo até 274 átomos a fim de investigar o efeito da interação impureza-impureza resultante da aproximação de super célula bem como propriedades óticas (deslocamentos de Franck-Condon, níveis de emissão e absorção), energias de relaxação da rede cristalina e níveis de defeito. Visto que carbono tem-se mostrado um material dopante promissor, analisamos também a estabilidade de defeitos complexos que incorporam dois átomos de carbono em posições substitucionais e nas denominadas configurações split-intersticiais. / Group-III nitrides (BN, AIN, GaN e InN) are commonly used in optoelectronic devices in the range of wavelengths from blue to ultraviolet such as lasers, light emitting diodes, transistors, photodetectors, advertisement panels and as cover material in abrasive tools. The III-nitrides present in general a large tolerance to high temperatures, support high electric-current injection in devices, are mechanically robust and form cation-cation-nitrogen alloys which allows the fundamental gap engineering, the latter required in optical applications. The most stable and used structure in applications of group-III nitrides is the wurtzite, except in BN for which the zineblende phase which, in principle, offers advantages with respect to the wurtzite one such as a higher lattice symmetry. Semiconductor crystals present in general disarrays or defects (vacancies, dislocations and so on) as well as certain amount of impurities. In order to obtain the required electronic properties in the semiconductor material, it is an usual procedure to introduce impurities by means of the process named doping. Because the synthesis of the zincblende phase of the group-III AIN, GaN and InN is recent, we present in the following a study of the electronic and structural properties of the cubic nitrides applying the density functional theory (DFT), supercells in the local density approximation (LDA) and generalized gradient approximation (GGA). We combine ab initio and statistical mechanics to study defects in the ternary alloys AlxGa1-xN taking as an example the nitrogen vacancy in several charge states. A study of sustitutional group-IV impurities in AIN and GaN (C, Si and Ge), which are traditionally applied in semiconductor technologies is presented as well as for group-IV impurities (P, As and Sb), covering impurity levels in the fundamental gap, lattice geometry and lattice energy relaxations. We study more detailedly the carbon impurity, substitutional on the nitrogen site in BN, AIN, GaN and InN, applying supercells up to 2744 atoms, in order to investigate the effect of the impurity-impurity interaction due to the use of the supercell approximation as well as optical properties (Franck-Condon shifts, absorption and emission levels), lattice relaxation energies and defect levels. Since carbon has shown to be a promising dopant material, we analyze also the stability of complex defects which incorporate two atoms of carbon on substitutional sites and the so called split-interstitial configurations.

Os compostos de fósforo apresentam várias implicações em processos atmosféricos e interestelares. Nesta tese, será realizado um estudo ab initio em três diferentes sistemas. (i) Um destes sistemas é o radical PCO. No capítulo três, foi analisado os aspectos conformacionais do radical PCO, sendo avaliado as propriedades moleculares e termodinâmicas da espécie cíclica e das espécies lineares. Entre os isômeros do radical PCO, a espécie i3 (C∞V, 2π) é a mais estável delas, com uma entalpia de formação a 0K de 22.33±2.10 kcal mol-1. Considerando as barreiras de energia, que convergem em direção a espécie i3, elas apresentam valores próximos de 10 kcal mol-1, ao passo que a energia necessária para a isomerização da molécula i3 para outros isômeros é acima de 60 kcal mol-1. Estes valores de energia explicam o fato que, em condições experimentais, foi detectado apenas a espécie i3 (C∞V, 2π). (ii) No capítulo quatro, foi elucidado o mecanismo da reação PH3 +F, assim como foi também caracterizado as propriedades eletrônicas dos intermediários observados nesta reação. Na reação PH3 +F, pode ser observado que, diferente da literatura, dois caminhos são possíveis para esta reação: (a) a reação de abstração de hidrogênio, com a formação dos produtos PH2 e HF, e a reação de adição-eliminação, com a formação das espécies PH2F e H. Analisando a energia eletrônica, é possível observar que a reação de adição-eliminação apresenta uma barreira de energia de 23 kcal mol-1 abaixo da mesma observada para a reação de abstração de hidrogênio. Considerando os intermediários formados na reação PH3 + F, são observados dois tipos de simetria: uma C1 e duas Cs. Além disso, a entalpia de formação em 298K dos intermediários variou de -22.99 to -29.74 kcal mol-1. (iii) No capítulo cinco, foi avaliada a interação da fosfina com diferentes aglomerados de água. Neste capítulo, foi realizada uma análise nos aglomerados PH3-(H2O)n (n=1-8,12,20) e avaliado a estabilidade dos potenciais isômeros, assim como as propriedades moleculares e espectroscópicas dos diferentes isômeros. Nas estruturas PH3-(H2O)n (n=1-8) foi possível observar que os modos vibracionais δ(PH3) e δsym(PH3) apresentaram um deslocamento para o vermelho, ao passo que as freqüências de estiramento simétrico e assimétrico da fosfina apresentaram um deslocamento para o azul. No caso da estrutura PH3(H2O)20, as variações nos modos vibracionais foram similares embora que mais intensas, sendo o mesmo também observado para as respectivas intensidades. Além disso, a energia necessária para o confinamento da fosfina no interior de um aglomerado de água dodecaedro hexagonal variou de -1.81 to -6.38 kcal mol-1. / The phosphorus compounds show several implications to atmospheric and interstellar processes. In this thesis, was performed an ab initio study on three different systems. (i) One of these systems is the PCO radical. In chapter three, was studied the conformation aspects of PCO radicals, which was assessed the molecular and thermodynamic properties of the cyclic and linear species. In PCO species, it was observed that the linear specie i3 (C∞V, 2π) is the most stable one, with the enthalpy formation at 0K of 22.33±2.10 kcal mol-1. Considering the barrier heights, which converge into the direction of i3, they are close to 10 kcal mol-1, while the energy necessary to the isomerization of i3 to other conformations are high than 60 kcal mol-1. These energy values explain the fact that, in experimental conditions, was detected only the i3 (C∞V, 2π) specie. (ii) In chapter four, it was elucidated the mechanism of the PH3 + F reaction, and it was also described the electronic properties of the intermediates observed in this reaction. In the PH3 + F reaction can be seen that, different from the literature, two possible pathways can be observed: (a) the hydrogen abstraction, with the formation of PH2 and HF products, (b) and the addition-elimination route, with the formation of PH2F and H species. Analyzing the electronic energy, can be observed that the barrier energy of the addition-elimination process is 23 kcal mol-1 bellow the hydrogen abstraction route. Considering the intermediates, two different point groups were detected: a C1 and two Cs. In addition, the enthalpy formation at 298K of the intermediates, in the PH3 + F reaction, range from -22.99 to -29.74 kcal mol-1. (iii) In chapter five, it was studied the interaction of phosphine with different water clusters. In this chapter was performed an analysis of the PH3-(H2O)n (n=1-8,12,20) clusters, and evaluated the stability of the potential isomers as also the molecular and spectroscopy aspects of the different species. In the PH3(H2O)n (n=1-8) structures are seen a redshift in the δ(PH3) and δsym(PH3) vibrational modes, while is observed a blueshift from the asymmetric and symmetric stretching frequencies of phosphine. In the case of PH3(H2O)20 structure, the variations in the vibrational modes were similar however more intense, as also in their respective intensities. In addition, the necessary energy to trap phosphine in the interior of an hexagonal dodecahedron water clusters range from -1.81 to -6.38 kcal mol-1.

Simulações computacionais são ferramentas essenciais para o estudo de sistemas físicos à temperatura finita. Geralmente, as técnicas utilizadas são: método de Monte Carlo (MC) e de Dinâmica Molecular (DM); tradicionalmente potenciais empíricos são empregados. Entretanto, esses potenciais são ajustados para uma dada configuração e não há nenhuma garantia de que eles também serão acurados para outras situações. Assim, existe um grande interesse em combinar as técnicas de simulação com métodos que descrevam a estrutura eletrônica com grande precisão, os chamados métodos de primeiros princípios. Nesse trabalho, implementamos um programa de MC no qual a energia total das configurações é obtida via Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Como aplicação de nossa metodologia estudamos inicialmente um aglomerado de Silício (Si_5). Nessas simulações, investigamos as propriedades estruturais dos aglomerados em função da temperatura e estimamos a faixa de temperatura de transição de fase. Além disso, propomos uma nova abordagem para simulações de água, em que combinamos o MC ab initio com otimizações intramoleculares de geometria. Para exemplificar a metodologia, mostraremos os resultados das simulações para o dímero de água, um sistema protótipo em que aparecem os dois tipos de ligações: intra e intermoleculares. / Computer simulations are essential tools to the research of physical systems at finite temperatures. Monte Carlo (MC) and Molecular Dynamics (MD) methods are the major techniques used for this purpose, and empirical potentials are traditionally employed in these simulations. These potentials, however, are built to describe with precision the system near some region of its configuration space, thus there is no guarantee that they will provide reliable results in other instances. Therefore, there is a great interest in the combination of MC and MD simulations with methods that describe the electronic structure with high precision (ab initio methods). In this work we have developed a MC program where the total configurational energies are obtained via Density Functional Theory (DFT). As an initial application of our methodology we have studied a silicon cluster (Si5). In these simulations we have investigated the structural properties of these cluster at diferent temperatures and estimated the melting temperature. Furthermore, we also propose a new formulation for water simulations,where we combine the ab initio MC with intramolecular geometry optimizations. As an illustration of our methodology, we show the results for the water dimer simulations. This system is a prototype of the hydrogen bond where we already have both intra and intermolecular bonds.

Cette thèse porte sur la modélisation ab initio des ligands et des nanoparticules magnétiques utilisés en médecine (hyperthermie magnétique, imagerie médicale ...). Les calculs sont effectués par le logiciel Quantum Espresso base sur théorie de la fonctionnelle de la densité et LDA + U. L'objectif est d'abord de comprendre la liaison des ligands sur des nanoparticules magnétiques, la nature de l'ionicité dans les particules, puis de décrire le changement d'anisotropie magnétique due aux liaisons chimiques sur la surface, et enfin de décrire la modification des propriétés optiques due également à la liaison de différents ligands sur la surface de nanoparticules hybrides d'or et d'oxyde de fer. / This thesis concerns the ab initio modeling of ligands and magnetic nanoparticles used in medicine (magnetic hyperthermia, medical imaging). Calculations are performed by the Quantum Espresso software based on density functional theory and LDA+U. The goal is first to understand the binding of ligands on magnetic nanoparticles, the nature of ionicity in the particles, then to describe the change in magnetic anisotropy due to the chemical bondings on surface, and finally to describe the change in optical properties due also to the bonding of various ligands or clusters on the surface of hybrid gold and iron oxide nanoparticles.

Neste trabalho, métodos ab initio multiconfiguracionais de alto nível foram empregados para estudar as estruturas eletrônicas e as ligações químicas de vários estados eletrônicos de dois monocarbetos de metais de transição do período 3d: MnC e CoC. Os estados eletrônicos quartetos, sextetos e octupletos energeticamente mais baixos do MnC, que estão correlacionados com os três mais baixos canais de dissociação, foram investigados teoricamente, pela primeira vez, com a abordagem Interação de Configurações Multiconfiguracional (MRCI), baseada em funções de onda do tipo Complete-Active-Space Self-Consistent-Field (CASSCF) e extensos conjuntos de bases atômicas. Energias de excitação, distâncias internucleares de equilíbrio, energias de dissociação e constantes espectroscópicas para todos os 36 estados serão apresentados. Fatores de Franck-Condon, coeficientes de Einstein e tempo de vida radioativa para a transição eletrônica X-A também serão mostrados. Sobre o monocarbeto de cobalto (CoC), os métodos CASSCF e Teoria da Perturbação de Segunda Ordem Multiconfiguracional (CASPT2) foram empregados para estudar seus estados eletrônicos dubletos mais baixos. Três novos estados foram identificados. O estado atribuído para a banda entre 13.000 – 14.500 cm-1 foi cofirmado, mas ao contrário do que foi sugerido, outra configuração eletrônica foi encontrada como a mais relevante para a descrição desse estado. / In this work, high level ab initio multiconfigurational methods were employed to study the electronic structures and chemical bondings of several electronic states of two 3d transition metal monocarbides: MnC and CoC. The lowest-lying quartet, sextet, and octuplet electronic states of MnC, correlating with the three lowest-lying atomic dissociation channels, were investigated theoretically for the first time, with state-of-the-art Multireference Configuration Interaction (MRCI) approach, based on Complete-Active-Space Self-Consistent-Field (CASSCF) wave functions and extensive basis sets. Excitation energies, equilibrium internuclear distances, dissociation energies, and spectroscopic constants for all 36 electronic states will be reported. Franck-Condon factos, Einstein coefficients, and radiative lifetimes for the X-A electronic transition will also be presented. As to the colbalt monocarbide (CoC), the CASSCF and Second Order Perturbation Theory (CASPT2) methods were employed to study its low-lying electronic dublet states. Three new states were identified. The results support the previous assignment fo the 13000 – 14500 cm-1, but unlike previous suggestions, another electronic configuration were found as the most important for the description of this state.