The process of shock-induced ignition has been investigated both computa- tionally and experimentally, with particular emphasis on the concept of radical farming. The first component of the investigation contained Computational Fluid Dynamic (CFD) calculations of an ignition delay study, a 2D pre-mixed flow over flat plate at a constant angle to the freestream, and through a generic 2D scramjet model. The focal point of the investigation however examined the complex 3D flow through a generic scramjet model. Five experimental test conditions were ex- amined over flow enthalpies from 3.4 MJ/kg to 6.4 MJ/kg. All test conditions simulated flight at 21000 metres ([symbol=almost equal to] 70000 ft), while the equivalent flight Mach number varied from approximately 8.5 at the lowest enthalpy, to approximately Mach 12 at the highest enthalpy condition. The presence of H2 fuel injected in the intake caused a separated region to form on the lower surface of the model at the entrance to the combustor. A fraction of the total mass of fuel was entrained in this separated region, providing long residence times, hence increased time for the chemical reactions that lead to ignition to occur. In addition, extremely high temperatures were found to exist between each fuel jet. Both fuel and air are present in these regions, therefore the chance of ignition in these regions is high. Streamlines passing through the recirculation zone ignited within this zone, while streamlines passing between the fuel jets ignited soon after entry into the combustor. The first instance of a pressure rise from combustion was observed on the centreline of the model where the reflected bow shock around the fuel jets crossed the centreline of the combus- tor. Upstream of this location the static pressure of the flow was too low for the chemical reactions that release heat to occur. The comparison between the experimental and computational results was lim- ited due to inaccuracies in modelling the thermal state of the gas in the CFD calculations. The gas was modelled as being in a state of thermal equilibrium at all times, which incorrectly models the freestream flow from the nozzle of the shock tunnel, and also the flow downstream of oblique shock wave within the scramjet model. As a result combustion occurs sooner in the CFD calculations than in the experimental result.

Aujourd'hui il est possible d'étudier à partir des premier principes la réponse sous excitation de matériaux utilisés dans des applications modernes très variés. En effet, grâce à de récents développements théoriques, ainsi qu'à l'optimisation des algorithmes de calcul, les simulations ab initio ne sont plus seulement limitées à des systèmes idéaux simplifiés, mais elles ont finalement l'ambition de capturer toute la complexité de l'échantillon testé dans l'expérience. Dans ce contexte, ce mémoire porte sur l'étude, à l'aide de différentes approches ab initio, des excitations électroniques dans une gamme de matériaux complexes et nanostructurés. Pour accéder aux excitations électroniques, la connaissance de la densité de l'état fondamental du système n'est plus suffisante, ce qui signifie que l'on doit trouver le moyen approprié d'aller au-delà de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) standard. Deux voies ont été intensivement explorées: l'une est basée sur la densité dépendante du temps et l'autre sur les fonctions de Green. La théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) a été proposée en 1984 par Runge et Gross, qui ont dérivé un théorème du type Hohenberg-Kohn pour l'équation de Schrödinger en fonction du temps. Le champ d'application de cette généralisation de la théorie de la fonctionnelle de la densité inclut le calcul des spectres de photo-absorption ou, plus généralement, l'étude de l'interaction de la matière avec des champs électromagnétiques ou des particules qui la perturbent. À présent, l'application la plus populaire de cette théorie est l'extraction des propriétés de l'état électronique excité, et en particulier des fréquences d'excitation électroniques. En appliquant la TDDFT, après avoir déterminé l'état fondamental d'une molécule ou un agrégat, nous pouvons explorer et comprendre son spectre d'absorption, ayant en même temps des informations extrêmement détaillées sur le comportement du système excité. La complexité du problème à plusieurs corps en TDDFT est cachée dans le potentiel d'échange et de corrélation dépendant du temps qui apparaît dans les équations de Kohn- Sham et pour lequel il est primordial de trouver une bonne approximation. Beaucoup d'approximations ont été proposées et testées pour les systèmes finis, où même la très simple approximation TDLDA a souvent donné de très bons résultats. En général, les approximations existantes pour la fonctionnelle d'échange et corrélation fonctionnent assez bien pour certaines propriétés, mais elles se montrent insuffisantes pour d'autres. Dans le cas des matériaux solides, la TDDLA ne parvient pas à reproduire les spectres d'absorption optique, qui sont par contre bien décrits par la résolution de l'équation de Bethe-Salpeter en combinaison avec l'approximation GW pour les états de quasi-électron. D'autre part, la TDLDA peut déjà conduire à des résultats excellents pour la fonction de perte d'énergie d'un solide. La solution de l'équation de Bethe-Salpeter est beaucoup plus onéreuse du point de vue numérique. Ainsi, on poursuit encore la recherche d'approximations fiables en TDDFT, et au fil du temps, on espère atteindre la même maturité qu'on trouve maintenant dans la DFT pour l'état fondamental. En particulier, de nouvelles perspectives (et ses limites) ont étés révélées pendant ces dernières années grâce à la combinaison de deux théories distinctes : la TDDFT et l'approche des fonctions de Green (dont l'approximation GW et l'équation de Bethe- Salpeter font partie). Ces deux approches peuvent partager dans la pratique le point de départ commun de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour le calcul de l'état fondamental électronique. Leur combinaison permet d'allier la simplicité de l'une (TDDFT) avec la précision de l'autre (GW et Bethe-Salpeter), afin d'en déduire des noyaux d'échange et de corrélation pour les solides. À partir de ces noyaux nous avons aussi travaillé sur le développement de noyaux modèles pour des applications efficaces à des systèmes de grande taille. Le présent mémoire contient une vue d'ensemble relativement condensée de la TDDFT et des approches basées sur la théorie des fonctions de Green, avec des applications aux domaines des nanotechnologies, aux matériaux photovoltaïques et au stockage de données. Ces applications ont constitué notre principal sujet de recherche au cours des dernières années. Ce mémoire est organisée comme suit. Avant d'entrer dans le domaine des approches pour les états excités, nous donnons dans le chapitre 1 un bref aperçu des idées de base de la DFT pour l'état fondamental, ce qui nous permet d'expliquer pourquoi il faut aller au-delà de la DFT standard, d'introduire quelques concepts-clés et de fixer la notation de base qui sera utilisée dans ce mémoire. Les chapitres suivants font un point sur la théorie formelle, avec une brève présentation des approches théoriques utilisées pour étudier les excitations électroniques: le chapitre 2 est dédié aux approches GW et à l'équation de Bethe-Salpeter, tandis que la TDDFT et la théorie de la réponse linéaire sont décrites dans le chapitre 3. Les noyaux dérivés à partir de l'équation de Bethe-Salpeter et notre travail sur les noyaux modèles sont discutés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 contient des applications de la TDDFT dans le domaine de la réponse linéaire aux nanostructures. L'objectif principal est d'obtenir des spectres fiables (en général des spectres d'absorption) à partir de calculs de premiers principes. En comparant ces spectres avec des courbes expérimentales, on peut normalement déduire des informations importantes qui ne sont pas directement accessibles dans les expériences. D'autre part, la connaissance détaillée des propriétés d'excitation électronique contribue à une meilleure compréhension de la physique de ces systèmes dans leur généralité. Le chapitre 6 présente des applications à des matériaux solides d'intérêt technologique. En particulier, nous nous sommes intéressé aux propriétés optiques des matériaux à changement de phase, utilisés dans le DVD re-inscriptibles, ainsi que aux états électroniques des absorbeurs et des oxydes transparents conducteurs pour les cellules solaires à couches minces. Le chapitre 7 est dédié aux cruciales interactions de van der Waals et au calcul – via la TDDFT – des paramètres qui les décrivent. Nous discutons à la fois des interactions entre deux agrégats, et entre un agrégat et une surface semi-conductrice. Le dernier chapitre 8 fait le point sur les résultats de notre réflexion.

La réduction de taille réalisée dans les hétérostructures mène à des états électroniques, fondamental et excité, largement différents de ceux du cristal en volume, et a ouvert la voie à une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques et photonique. Les super-réseaux diélectriques sont par exemple développés pour leurs propriétés non linéaires. Ces effets sont également trouvés dans des hétérostructures de semi-conducteur basées sur GaAs, qui a par lui-même les propriétés optiques non linéaires importantes. Dans la recherche de nouvelles sources optiques, l'anisotropie optique des super-réseaux de GaAs/AlAs-oxidé a été exploitée pour produire la conversion des fréquences optiques. Les super-réseaux de type GaAs/AlAs constituent donc un prototype pour la compréhension des structures artificielles, et leurs propriétés optiques ont été à fond étudiées expérimentalement et théoriquement. En particulier, la réduction de la symétrie cubique initiale de la structure diamant ou zinc-blende provoque une anisotropie optique. Le comportement des composents du tenseur diélectrique du super-réseaux GaAs/AlAs en fonction de la période de barrière/puits est une question qui suscite un très grand intérêt. Expérimentalement, on a observé une baisse remarquable de la biréfringence quand la période décroît. Pour étudier la réponse optique de ces systèmes, les détails de la structure électronique doivent être pris en considération, y compris des effets comme le repliement des bandes et le confinement. Une analyse simple en termes de particules indépendantes est insuffisante: les effets à plusieurs corps peuvent jouer un rôle crucial et tendent à être particulièrement importants quand l'échelle du système est réduite. Les calculs utilisant des pseudopotentiels semi-empiriques sur de super-réseaux de grande période ont récemment fourni une analyse détaillée des effets du repliement des bandes et du confinement. Néanmoins, il n'y avait aucun accord quantitatif avec l'expérience au sujet de la biréfringence statique, et ces calculs n'ont pas pu expliquer l'augmentation de cette quantité avec l'augmentation de la période du super-réseau même qualitativement. Aussi, nous avons calculé la biréfringence statique de super-réseaux (001) (GaAs)$_n$/(AlAs)$_n$ pour une période de barrière/puits variant de n=1 à n=8, en utilisant la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps (TDDFT). Nous confirmons les résultats des calculs semi-empiriques précédents basés sur un calcul à particules indépendantes, en exécutant des calculs ab initio dans la même approximation. Cependant, nous montrons que l'inclusion des effets de champs locaux change complètement les composants du tenseur diélectrique: la biréfringence théorique en maintenant en bon accord avec l'expérience. En fait, on obtient l'accord qualitatif, et quantitatif avec l'expérience, en incluant les effets de champs locaux. On montre en particulier que l'anisotropie des champs locaux explique les tendances expérimentales observées. Étonnamment, l'utilisation de l'approche de milieu effectif, ou le super-réseau est modelisé par un empilement de couches ayant la permittivité GaAs ou AlAs, est justifiée dans la direction d'empilement même pour les petites périodes, car les effets de champs locaux et de confinement s'annulent. Par contraste, les effets de confinement sont trouvés plus grands dans le plan perpediculaire à la direction d'empilement, et la théorie de milieu effectif est insuffisante.

<p>Oscillator strengths and transition energies are calculated for several mono-substitutes of benzene and naphthalene molecules. The substituents investigated are chlorine, bromine and iodine. Calculations for these molecules are presented, at the Hartree-Fock and DFT level of theory. The functional used in DFT is CAM-B3LYP.</p>

<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>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>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>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>Le cinquième chapitre traite des DI et structures hyperfines des termes les plus bas de S, S-, Cl, Cl-, Si et Si-.</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>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>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>Nous présentons nos conclusions générales et les perspectives de notre travail dans le neuvième chapitre.</p> <p>|</p> <p>This thesis is aimed at the study of isotope effects in negative ions and neutral atoms. In particular, we perform ab initio calculations of isotope shift (IS) on the electron affinity of p-block atoms of the second and third periods (B to F and Al to Cl). These atoms are the best candidates for high accuracy experimental studies.</p> <p>The first chapter is a didactical study of the atomic problem and isotope effects. We conclude with a detailed description of the motivations of our thesis.</p> <p>The second chapter presents the Hartree-Fock model (HF) and its multi-configurational extension (MCHF). The Brillouin theorem is formulated together with its generalization to a MCHF ansatz. In order to do that, we propose an original formulation of the invariance principle of a CAS (Complete Active Set) wave function with respect to orbital state rotations. We then characterize the family of CAS solutions that do not interact with a particular configuration state function (CSF), and demonstrate its multiplicity. Finally, we apply our analytical tools to the study of concrete models and predict the appearance of local minima corresponding to each of these GBT solutions. Introducing the concept of quasi-symmetry of the energy functional, we explain the origin of strong perturbations of the atomic "core" in particular models.</p> <p>The third and fourth chapters provide the methodological tools that are used in the second part of our thesis, which present qualitative results.</p> <p>In the fifth chapter, we study the DIs and hyperfine structures of the lowest terms of S, S-, Cl, Cl-, Si and Si-.</p> <p>In the sixth chapter, we report a deep disagreement between theory and experiment concerning the hyperfine structures of far-infrared transitions in nitrogen. We show that simulations based on our set of hyperfine constants are compatible with the recorded spectra if the weak signals are reassigned to "cross-overs". On this basis, we deduce new hyperfine constants for the considered states, in good agreement with the theoretical values, basing our analysis on experimental data only.</p> <p>The seventh chapter is a global study of the lowest configurations of C and C- (i.e. all bound states of the latter). By a detailed study of our uncertainties, we obtain reliable and highly accurate estimations for a series of properties. In particular, we present the fine and hyperfine structures of C-, together with the intra-configurational transition probabilities, which provide a strong basis for spectroscopic investigations of this system.</p> <p>In the eighth chapter, we study the periodicity of the specific mass shift on the electron affinity throughout the Periodic Table. We advance the dominant contributions which contribute to this quantity and analyze the main limitations of the current computation techniques in this context.</p> <p>We present our general conclusions and perspectives of our work in the ninth chapter.</p>

This thesis describes the development and study of catalysts for redox reactions, which either utilize oxygen or hydrogen peroxide for the purpose of selectively oxidizing organic substrates, or produce oxygen as the necessary byproduct in the production of hydrogen by artificial photosynthesis. The first chapter gives a general introduction about the use of environmentally friendly oxidants in the field of organic synthesis, and about the field of artificial photosynthesis. The second chapter describes a computational study of the mechanism of palladium-catalyzed oxidative carbohydroxylation of allene-substituted conjugated dienes. The proposed mechanism, which was supported by DFT calculations, involves an unusual water attack on a (π-allyl)palladium complex. The third chapter describes a computational study of the oxidation of unfunctionalized hydrocarbons, ethers and alcohols with hydrogen peroxide, catalyzed by methyltrioxorhenium (MTO). The mechanism was found to proceed via rate-limiting hydride abstraction followed by hydroxide transfer in a single concerted, but highly asynchronous, step as shown by intrinsic reaction coordinate (IRC) scans. The fourth chapter describes the use of a new hybrid (hydroquinone-Schiff base)cobalt catalyst as electron transfer mediator (ETM) in the palladium-catalyzed aerobic carbocyclization of enallenes. Covalently linking the two ETMs gave a fivefold rate increase compared to the use of separate components. The fifth chapter describes an improved synthetic route to the (hydroquinone-Schiff base)cobalt catalysts. Preparation of the key intermediate 5-(2,5-hydroxyphenyl)salicylaldehyde was improved by optimization of the key Suzuki coupling and change of protecting groups from methyl ethers to easily cleaved THP groups. The catalysts could thus be prepared in good overall yield from inexpensive starting materials. Finally, the sixth chapter describes the preparation and study of two catalysts for water oxidation, both based on ligands containing imidazole groups, analogous to the histidine residues present in the oxygen evolving complex (OEC) and in many other metalloenzymes. The first, ruthenium-based, catalyst was found to catalyze highly efficient water oxidation induced by visible light. The second catalyst is, to the best of our knowledge, the first homogeneous manganese complex to catalyze light-driven water oxidation. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 5: Accepted. Paper 6: Submitted.</p>

Studying magnetic properties of disordered alloys is important both for the understanding of phase transformations in alloys and from the point of view of fundamental issues of magnetism in solids. Disorder in a magnetic system can result in unconventional magnetic structures, such as spin glass, which have rather peculiar features. In this Thesis, a rather general approach to studying disordered magnetic alloys from first principles is presented. Phase transformations and magnetic behavior of crystalline substitutional alloys are considered. This approach is exemplified by calculations of an archetypical spin-glass material: the CuMn alloy. First, a general theoretical framework for the description of the thermodynamics of disordered magnetic alloys is given. It is shown that under certain conditions, a complex magnetic system can be reduced to an effective system containing no magnetic degrees of freedom. This substantially simplifies the investigation of phase transformations in magnetic alloys. The effective model is described in terms of material-specific interaction parameters. It is shown that interaction parameters can be obtained from the ground-state property of a disordered alloy which are in turn calculated from first principles by means of highly accurate up-to-date numerical techniques based on the Green's function method. The interaction parameters can subsequently be used in thermodynamic Monte-Carlo simulations to produce the atomic and magnetic structures of an alloy. An example of calculations for the Cu-rich CuMn alloy is given. It is demonstrated that the atomic and magnetic structure of the alloy obtained by the presented approach agrees very well with the results of neutron-scattering experiments for this system. Moreover, numerical simulations enable one to predict the ground state structure of the alloy, which is difficult to observe in experiment due to large atomic diffusion barriers at temperatures close to the temperature of the phase transformation. A general description of a spin glass is given, and difficulties of modeling this type of magnetic systems are discussed. To overcome the difficulties, improved Monte-Carlo methods, such as parallel tempering, overrelaxation technique, and finite-size scaling method of analysis, are introduced. The results for the CuMn alloy are presented.

Accurate electronic structure calculations are becoming more and more important because of the increasing need for information about systems which are hard to perform experiments on. Databases compiled from theoretical results are also being used more than ever for applications, and the reliability of the theoretical methods are of utmost importance. In this thesis, the present limits on theoretical alloy calculations are investigated and improvements on the methods are presented. A short introduction to electronic structure theory is included as well as a chapter on Density Functional Theory, which is the underlying method behind all calculations presented in the accompanying papers. Multiple Scattering Theory is also discussed, both in more general terms as well as how it is used in the methods employed to solve the electronic structure problem. One of the methods, the Exact Muffin-Tin Orbital method, is described extensively, with special emphasis on the slope matrix, which energy dependence is investigated together with possible ways to parameterize this dependence. Furthermore, a chapter which discusses different ways to perform calculations for disordered systems is presented, including a description of the Coherent Potential Approximation and the Screened Generalized Perturbation Method. A comparison between the Exact Muffin-Tin Orbital method and the Projector Augmented-Wave method in the case of systems exhibiting both compositional and magnetic disordered is included as well as a case study of the MoRu alloy, where the theoretical and experimental discrepancies are discussed. The thesis is concluded with a short discussion on magnetism, with emphasis on its computational aspects. I further discuss a generalized Heisenberg model and its applications, especially to fcc Fe, and also present an investigation of the competing magnetic structures of FeNi alloys at different concentrations, where both collinear and non-collinear magnetic structures are included. For Invar-concentrations, a spin-flip transition is found and discussed. Lastly, I discuss so-called quantum corrals and possible ways of calculating properties, especially non-collinear magnetism, of such systems within perturbation theory using the force theorem and the Lloyd’s formula.

Synchrotron-based spectroscopic techniques enable investigations of the many important biological and environmental functions of the ubiquitous element sulfur. In this thesis the methods for interpreting sulfur K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra are developed and applied for analyses of functional sulfur groups. The influence of coordination, pH, hydrogen bonding, etc., on the sulfur 1s electronic excitations is evaluated by transition potential density functional theory. Analyses have been performed of reduced sulfur compounds in marine-archaeological wood from historical shipwrecks, including the Vasa, Stockholm, Sweden and the Mary Rose, Portsmouth, U.K.. The accumulation of sulfur as thiols in lignin-rich parts of the wood on the seabed is also a probable pathway in the natural sulfur cycle for how reduced sulfur enters fossil fuels via humic matter in anaerobic marine sediments. Sulfur K-edge XANES spectra for several biochemical model compounds and for coexisting isomeric sulfur species in cysteine and sulfite(IV) aqueous solutions have been analyzed with the aid of theoretical calculations. Cysteine derivatives are important for biochemical detoxification, and mercury(II) cysteine complexes in solution have been structurally characterized by means of Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS), Raman and 199Hg NMR spectroscopy. Lanthanoid(III) ions were found to coordinate eight dimethyl sulfoxide oxygen atoms in a distorted square antiprism in the solid state and in solution, by combining crystallography, EXAFS, XANES and vibrational spectroscopy. The mean M-O bond distances for the disordered crystal structures are in good agreement with those from the lattice-independent EXAFS studies. The different sulfur K-edge XANES spectra for the dimethyl sulfoxide ligands in the hexasolvated complexes of the trivalent group 13 metal ions, Tl(III), In(III), Ga(III) and Al(III), were interpreted by theoretical calculations.

The recent development of tool steels and high-speed steels has led to a significant increase in alloy additions, such as Co, Cr, Mo, N, V, and W. Knowledge about the phase relations in these multicomponent alloys, that is, the relative stability between different carbides or the solubility of different elements in the carbides and in the matrix phase, is essential for understanding the behaviour of these alloys in heat treatments. This information is also the basis for improving the properties or designing new alloys by controlling the amount of alloying elements. Thermodynamic calculations together with a thermodynamic database is a very powerful and important tool for alloy development of new tool steels and high-speed steels. By thermodynamic calculations one can easily predict how different amounts of alloying elements influence on the stability of different phases. Phase fractions of the individual phases and the solubility of different elements in the phases can be predicted quickly. Thermodynamic calculations can also be used to find optimised processing temperatures, e.g. for different heat treatments. Combining thermodynamic calculations with kinetic modelling one can also predict the microstructure evolution in different processes such as solidification, dissolution heat treatments, carbide coarsening, and the important tempering step producing secondary carbides. The quality of predictions based on thermodynamic calculations directly depends on the accuracy of the thermodynamic database used. In the present work new experimental phase equilibria information, both in model alloys containing few elements and in commercial alloys, has been determined and was used to evaluate and improve the thermodynamic description. This new experimental investigation was necessary because important information concerning the different carbide systems in tool steels and high-speed steels were lacking. A new thermodynamic database for tool steels and high-speed steels, TOOL05, has been developed within this thesis. With the new database it is possible to calculate thermodynamic properties and phase equilibria with high accuracy and good reliability. Compared with the previous thermodynamic description the improvements are significant. In addition the composition range of different alloying elements, where reliable results are obtained with the new thermodynamic database, have been widened significantly. As the available kinetic data did not always predict results in agreement with new experiments the database was modified in the present work. By coupling the new thermodynamic description with the new kinetic description accurate diffusion simulations can be performed for carbide coarsening, carbide dissolution and micro segregation during solidification. / QC 20100929