<p>Cette thèse est consacrée à l'étude des effets isotopiques dans les atomes neutres et ions négatifs. En particulier, nous ciblons notre recherche sur le calcul ab initio des déplacements isotopiques (DI) sur les électroaffinités des éléments des blocs p des deuxième et troisième périodes (B à F et Al à Cl). Ces derniers sont les systèmes les plus susceptibles d'être l'objet d'études expérimentales de haute précision.</p><p><p><p>Le premier chapitre se concentre sur une étude didactique du problème atomique et des effets isotopiques. Nous concluons par une description détaillée des motivations de notre thèse.</p><p><p><p>Le second chapitre présente le modèle Hartree-Fock (HF) et son extension multi-configurationelle (MCHF). Nous y énonçons le théorème de Brillouin et sa généralisation à un ansatz MCHF. Pour ce faire, nous formulons de manière originale le principe d'invariance d'une fonction d'onde CAS (Complete Active Set) par rapport aux rotations d'états d'orbitales. De cette formulation, nous caractérisons la famille des solutions CAS n'interagissant pas avec une fonction d'état de configuration (CSF) particulière et démontrons sa multiplicité. Finalement, nous appliquons notre technique d'analyse à l'étude de modèles concrets et prédisons l'apparition de minima locaux correspondant à chacune de ces solutions GBT. Introduisant le concept de quasi-symétrie de la fonctionnelle d'énergie, nous expliquons l'origine de fortes perturbations du "coeur" atomique dans des modèles particuliers.</p><p><p><p>Les troisième et quatrième chapitres fournissent les outils méthodologiques de base utilisés dans la deuxième partie de notre thèse qui présente des résultats quantitatifs originaux.</p><p><p><p>Le cinquième chapitre traite des DI et structures hyperfines des termes les plus bas de S, S-, Cl, Cl-, Si et Si-.</p><p><p><p>Dans le sixième chapitre, nous rapportons un profond désaccord entre théorie et expérience au sujet de la structure hyperfine de transitions de l'azote dans le infrarouge lointain. Nous montrons que les simulations basées sur nos valeurs de constantes isotopiques sont compatibles avec les spectres enregistrés moyennant une réassignation des raies faibles à des signaux de "cross-overs". Sur cette base, nous déduisons un nouvel ensemble de constantes hyperfines pour les états considérés, en bon accord avec nos valeurs théoriques, en nous basant uniquement sur les données expérimentales.</p><p><p><p>Le septième chapitre est une étude globale des configurations de plus basse énergie du C et C- (i.e. tous les états liés de ce dernier). Par une étude détaillée de nos incertitudes, nous obtenons des estimations très fiables et de grande précision pour un ensemble de propriétés. En particulier, nous présentons les valeurs de structure fine et hyperfine du C-, ainsi que les probabilités de transitions intra-configurationelles fournissant une base solide pour l'étude spectroscopique de ce système.</p><p><p><p>Dans le huitième chapitre, nous étudions la périodicité du déplacement spécifique de masse sur l'électroaffinité dans le Tableau Périodique des Eléments. Nous avançons les contributions dominantes qui interviennent dans cette grandeur et analysons les principales limitations des techniques de calcul actuelles dans ce contexte.</p><p><p><p>Nous présentons nos conclusions générales et les perspectives de notre travail dans le neuvième chapitre.</p><p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La signature spectroscopique des ions moléculaires est fondamentale pour l'étude et la caractérisation de plasma en astrophysique et en laboratoire. Différentes techniques peuvent être utilisées pour caractériser ces plasmas parmi lesquelles la spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X et la photo-absorption X. L'objectif de cette thèse est la simulation des spectres de photo-absorption au seuil L (2p) des ions moléculaires de silicium SiHn+ (n= 1, 2, 3) et au seuil K (1s) des ions moléculaires de l'oxygène OHn+ (n=1, 2) et du carbone CHn+ (n= 1, 2) produits lors d'une décharge plasma. Nous avons développé différents protocoles numériques permettant de calculer les spectres d'absorption aux seuils K et L en combinant des méthodes de structures électroniques et de propagation de paquet d'ondes. Les optimisations de géométrie et le calcul des seuils d'ionisation (IP) sont obtenus en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les effets de relaxation électronique due à la formation d'un trou en couche interne sont pris en compte au niveau SCF (convergence de la fonction d'onde électronique à N-1 électrons). Les surfaces d'énergie potentielle (PES) et les moments de transition dipolaires sont calculés à un niveau Post-HF (Interaction de configurations, CI). L'introduction explicite du couplage spin-orbite à l'aide de l'opérateur Breit-Pauli est utilisée pour l'étude du processus d'excitation au seuil L du silicium. Les spectres théoriques calculés pour les différentes molécules étudiées présentent un accord raisonnable avec les mesures expérimentales. La présence d'états électroniques métastables produits lors de la décharge plasma est discutée. / Molecular ions cover important roles in study and characterization of astrophysical and laboratory plasma. To this purposes, different spectroscopic techniques are used among which we found the X-ray photoelectron spectroscopy and the X-ray photoabsorption spectroscopy. This PhD work is focused on the calculation of X-ray photoabsorption spectra of molecular ions of silicon, carbon and oxygen XHn+ (X= Si, C, O; n= 1, 2, 3). The former is excited on the L (2p) shell while the others on the K (1s) shell produced in plasma discharged. We developed numerical protocols which permits to compute with reasonable precision the K and L-shell photoabsorption spectra combining electronic structure and nuclear wavepacket propagation methods. The optimization of the geometries and the calculation of the ionization potentials (IP) are carried out using the density functional theory (DFT). The relaxation effects due to the core hole creation are taken into account at the self-consistent field (SCF) level. The potential energy surfaces (PES) and the dipole moment transitions are computed at the post Hartree-Fock (configuration interaction, CI) level. The spin-orbit coupling effect are explicitly taken into account through the Breit-Pauli operator. The theoretical results have been compared with the experimental data and they allow the interpretation of the experimental bands.

This diploma thesis is focused on a theoretical study of the phase stability of solid solutions in selected aluminium and silver alloys. The ab initio calculations were performed using projected augmented waves method and the thermal dependencies of thermodynamic quantities were acquired using phonon calculations. The main focus of this work is the of aluminium-germanium alloy, while the other examined alloys (Al-Pb, Ag-Ge and Ag-Pb) serve the purpose of comparison of the solid solubility prediction and its reliability in systems with different composition. The temperatures, at which the solid solutions become stable, were evaluated using the energy difference between possible states and this evaluation was carried out for different contributions to the total energy. Also the electronic and phonon densities of states were calculated for all pure elements and solid solutions. The temperatures of solubility were compared to the experimental ones provided by the CALPHAD method and the individual contributions to the total energy were determined and depicted. The results obtained in this work tend to underestimate temperatures of solubility of individual solid solutions by hundreds of Kelvin.

This Master‘s thesis is focused on theoretical study of twinning in magnetic shape memory alloys based on Ni2MnGa using ab initio calculations of electronic structure within the projector augmented wave method. In particular, the effect of increasing concentration of manganese at the expense of gallium was studied on total energy and stress profiles along different deformation paths in the (10-1)[101] shear system of non-modulated martensite. Further, this work deals with the effect of the concentration of manganese on the energy of planar fault caused by presence of partial dislocation due to motion of twin boundary. The results show that the shear modulus in studied shear system increases with the increasing concentration of manganese as well as energy barrier and deformation characteristics along shear deformation paths increases, which makes the shear more difficult in Mn-rich alloys. Increasing concentration of manganese also leads to rising the planar fault energy. All these effects can be responsible for lower mobility of twin boundaries in alloys with higher concentration of manganese.

This Master’s thesis is focused on theoretical study of the high entropy alloy CoCrNi using ab initio calculations. The focus was on the effect of short range order on the relative stability of FCC and HCP structures and the value of stacking fault energy.The results show increase of stability in both types of structures wtih decreasing number of Cr-Cr nearest neighbours. The effect of the number of Cr-Cr nearest neighbours on the stacking fault energy previously shown in literature was not observed. However the strong dependency was found on the change of short range order caused by the shift of (1 1 1) planes after the transformation from the FCC to HCP structure. The effect of interstitial atoms C a N was also studied. Both these interstitials stabilise FCC structure and thus cause the increase of stacking fault energy. Both interstitials prefer octahedral positions with higher amount of Cr in their nearest neighbour shell.

This work deals with study of stability of solid crystals under isotropic loading. Ab initio methods were used for this purpose. Crystals of four fcc metals (Al, Cu, Ir, Au) and diamond were subjected to simulated isotropic tensile deformation and maximum value of isotropic stress was evaluated for them. Consequently, phonon spectra were calculated for several strain values in order to assess crystal stability. Phonon instabilities in dispersion curves of diamond, Al, Ir and Au appeared at strains lower than those corresponding to their decohesion. This appearance of instability determinates the value of ideal strength. However, significant reduction (by about 20%) was found only in the cases of Au and Ir.

Nanoelectronics and spintronics are concerned with writing, transporting, and reading information stored in electronic charge and spin degrees of freedom at the nanoscale. Past few years have shown that two spintronics effects discovered in the 19th century, namely anisotropic magnetoresistance and anomalous Hall effect, can be used also for sensing antiferromagnetism which opened the field of antiferromagnetic spintronics. The more than a century of controversial studies of these effects have shown their relativistic spin-orbit coupling and spin-polarisation symmetry breaking origin. However, a complete understanding of these effects and a fully predictive theory capable of identifying novel suitable antiferromagnetic materials are still lacking. Here, by extending modern symmetry and topology concepts in condensed matter physics, we have further developed the theory of anisotropic magnetoresistance and spontaneous Hall effect. Our approach is based on magnetic symmetry and topology analysis of antiferromagnetic energy bands, Bloch spectral functions, and Berry curvatures calculated from the state-of-the- art first-principle theory. This guided us to the prediction of two novel, previously unanticipated effects: relativistic metal-insulator transition from antiferromagnetic Dirac fermions, and crystal Hall...

In the present work, the structural, electronic properties, thermodynamic stability and adatom surface movements of oxygen and sulfur adsorption on the Fe surface were studied based on the ab initio method. Firstly, the oxygen adsorbed on the iron (100) surface is investigated at the three adsorption sites top, bridge and hollow sites, respectively. Adsorption energy, work function and surface geometries were calculated, the hollow site was found to be the most stable adsorption site, Which is in agreement with the experiments. In addition, the difference charge density of the different adsorption systems was calculated to analyze the interaction and bonding properties between Fe and O. It can be found out that the charge redistribution was related to the geometry relaxation. Secondly, the sulfur coverage is considered from a quarter of one monolayer (1ML) to a full monolayer. Our calculated results indicate that the most likely site for S adsorption is the hollow site on Fe (100). We find that the work function and its change Df increased with S coverage, in very good agreement with experiments. Due to a recent discussion regarding the influence of charge transfer on Df, we show that the increase in Df can be explained by the increasing surface dipole moment as a function of S coverage. In addition, the Fe-S bonding was analyzed. Finally, the thermodynamic stabilities of the different structures were evaluated as a function the sulfur chemical potential. Finally, a two dimensional (2D) gas model was proposed to simulate the surface active elements, oxygen and sulfur atoms, movement on the Fe (100) surface. The average velocity of oxygen and sulfur atoms was found out to be related to the vibration frequencies and energy barrier in the final expression developed. The calculated results were based on the density function and thermodynamics &amp; statistical physics theories. In addition, this 2D gas model can be used to simulate and give an atomic view of the complex interfacial phenomena in the steelmaking refining process.

Le sujet de cette thèse est la théorie à partir des premiers principes de la structure électronique de matériaux présentant de fortes corrélations électroniques. D’importants progrès ont été faits dans ce domaine grâce aux implémentations modernes de Théorie de la Fonctionelle de Densité (DFT). Néanmoins, la méthode DFT a certaines limitations. D’une part, elle est faite pour décrire les propriétés de l’état fondamental mais pas des états excités des matériaux, bien que ces derniers soient également importants. D’autre part, les approximations de la fonctionnelle employées en pratique réduisent la validité de la DFT, conceptuellement exacte : en particulier elles décrivent mal les matériaux aux effets de corrélations les plus importants.Depuis les années 1990, différentes théoriques quantiques à N corps ont été utilisées pour améliorer ou compléter les simulations à base de DFT. Une des plus importantes est la Théorie du Champ Moyen Dynamique (DMFT), dans laquelle un modèle sur réseau est relié de manière auto-cohérente à un modèle plus simple d’impureté, ce qui donne de bons résultats à condition que les corrélations soient principalement locales. Nous présentons brièvement ces théories dans la première partie de cette thèse. Les progrès récents de la DMFT visent, entre autres, à mieux décrire les effets non-locaux, à comprendre les propriétés hors équilibre et à décrire de vrais matériaux plutôt que des modèles.Afin d’utiliser la DMFT pour décrire de vrais matériaux, il faut partir d’un calcul de structure électronique traitant tous les électrons au même niveau, puis appliquer une correction traitant les effets à N corps sur un sous-espace de basse énergie d’orbitales autour niveau de Fermi. La définition cohérente d’un tel sous-espace nécessite de tenir compte de la dynamique des électrons en-dehors de cet espace. Ces derniers, par exemple, réduisent la répulsion de Coulomb entre électrons dans le sous-espace. Néanmoins, combiner la DFT et la DMFT n’est pas aisé car les deux n’agissent pas sur la même observable. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les modèles de basses énergies, comme la technique échange écranté + DMFT récemment proposée. Nous analysons l’importance de l’échange non-local et des interactions de Coulomb retardées, et illustrons cette théorie en l’appliquant aux états semi-cœur dans les métaux d10 Zn et Cd.Dans la dernière partie, nous utilisons ces méthodes pour étudier trois matériaux corrélés importants d’un point de vue technologique. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la physique des mono-lacunes dans la phase paramagnétique du fer. De façon surprenante pour un défaut aussi simple, son énergie de formation n’a toujours pas été obtenue de manière cohérente par la théorie et l’expérience. Nous démontrons que cela est dû à de subtils effets de corrélations autour de la lacune dans la phase paramagnétique à haute température : cette phase est plus fortement corrélée que la phase ferromagnétique, où des calculs de DFT ont été faits.Dans un deuxième temps, nous étudions la transition métal-isolant dans la phase métastable VO2 B. Nous montrons que cette transition ressemble à celle entre la phase conventionnelle rutile et la phase M2 de VO2, mettant en jeu à la fois des liaisons covalentes dans les dimères et une transition de Mott sur les atomes V restants. Nous étudions également l’effet de lacunes d’oxygène sur la structure électronique de VO2.Enfin, nous proposons une technique au-delà de la DFT pour calculer le champ cristallin dans les oxydes et alliages de terres rares. Bien que l’amplitude de ce champ soit faible pour les orbitales localisées 4f des lanthanides, il est crucial pour leur caractère d’aimant permanent. En modifiant l’approximation Hubbard I pour résoudre les équations de DMFT, nous évitons une erreur d’auto-interaction faible en valeur absolue mais physiquement importante, démontrant l’importance de modèles de basse énergie correctement définis. / The topic of this thesis is the first-principles theory of the electronic structure of materials with strong electronic correlations. Tremendous progress has been made in this field thanks to modern implementations of Density Functional Theory (DFT). However, the DFT framework has some limits. First, it is designed to predict ground state but not excited state properties of materials, even though the latter may be just as important for many applications. Second, the approximate functionals used in actual calculations have more limited validity than conceptually exact DFT: in particular, they are not able to describe those materials where many-electron effects are most important.Since the 1990's, different many-body theories have been used to improve or complement DFT calculations of materials. One of the most significant non-perturbative methods is Dynamical Mean-Field Theory (DMFT), where a lattice model is self-consistently mapped onto an impurity model, producing good results if correlations are mostly local. We briefly review these methods in the first part of this thesis. Recent developments on DMFT and its extensions were aimed at better describing non-local effects, understanding out-of-equilibrium properties or describing real materials rather than model systems, among others. Here, we focus on the latter aspect.In order to describe real materials with DMFT, one typically needs to start with an electronic structure calculation that treats all the electrons of the system on the same footing, and apply a many-body correction on a well-chosen subspace of orbitals near the Fermi level. Defining such a low-energy subspace consistently requires to integrate out the motion of the electrons outside this subspace. Taking this into account correctly is crucial: it is, for instance, the screening by electrons outside the subspace strongly reduces the Coulomb interaction between electrons within the subspace. Yet it is a complex task, not least because DFT and DMFT are working on different observables. In the second part of this thesis, we discuss low-energy models in the context of the recently proposed Screened Exchange + DMFT scheme. In particular, we study the importance of non-local exchange and dynamically-screened Coulomb interactions. We illustrate this by discussing semi-core states in the d10 metals Zn and Cd.In the third and last part, we use the methods described above to study the electronic structure of three fundamentally and technologically important correlated materials. First, we discuss the physics of point defects in the paramagnetic phase of bcc Fe, more precisely the simplest of them: the monovacancy. Surprisingly for such a simple point defect, its formation energy had not yet been reported consistently from calculations and experiments. We show that this is due to subtle but nevertheless important correlation effects around the vacancy in the high-temperature paramagnetic phase, which is significantly more strongly correlated than the ferromagnetic phase where DFT calculations had been done.Second, we study the metal-insulator phase transition in the metastable VO2 B phase. We show that this transition is similar to that between the conventional rutile and M2 VO2 phases, involving both bonding physics in the dimer and an atom-selective Mott transition on the remaining V atoms. Motivated by recent calculations on SrVO3, we study the possible effect of oxygen vacancies on the electronic structure of VO2.Finally, we propose a scheme beyond DFT for calculating the crystal field splittings in rare earth intermetallics or oxides. While the magnitude of this splitting for the localized 4f shell of lanthanides does not typically exceed a few hundred Kelvin, it is crucial for their hard-magnetic properties. Using a modified Hubbard I approximation as DMFT solver, we avoid a nominally small but important self-interaction error, stressing again the importance of carefully tailored low-energy models.

The aim of the author’s research in the period of his PhD study was the analysis of mechanical stability of cubic crystals under external loading. This work demonstrates several methods used for a study of mechanical stability of fcc crystals (C, Al, Ir, Pt, Au) during isotropic (hydrostatic) tensile loading. Ab initio methods were used for this purpose. Studied crystals were subjected to simulated isotropic tensile deformation and an analysis of elastic stability was performed. This analysis shows that first elastic instability in Al, Pt and Au crystals corresponds to vanishing of the trigonal shear modulus and diamond, Ir remains stable up to the state of maximum isotropic stress. According to the calculated band structure diamond crystal preserves his insulating character up to the onset of instability. Consequently, phonon spectra of all crystals were calculated using the linear response method and their dynamic stability was assessed. Obtained results reveal soft phonon modes in Al, Pt and Ir before an occurrence of elastic instability. Selected short-wavelength instabilities are confirmed using models of microscopic deformation and also using dispersion curves obtained by a supercell method. The observed instabilities lower critical strains related to the volumetric instability up to 40 % whereas the reduction of critical stress is by 20 % at the most.