Le sujet principal de cette thèse est l'utilisation de la Théorie Fonctionnelle de la Densité dans sa variante à liaisons fortes (DFTB) pour l'étude de l'effet de la pression sur des nanotubes de carbone. Nous commençons par étudier l'effondrement radial sous l'effet de la pression de nanotubes de carbone (CNTs) individualisés, soit dans leur forme originale (vides), soit remplis avec des molécules d'eau ou de dioxyde de carbone. Nous étudions à continuation le processus d'effondrement radial de fagots de nanotubes de carbone a faible nombre de parois (double ou triple-parois) en fonction de la pression combinant modélisations et études expérimentales. Finalement nous présentons une étude sur les propriétés électroniques et magnétiques d'une monocouche de MoS2 déposée sur une surface de Ni(111) dans le cadre de laThéorie Fonctionnelle de la Densité incluant des interactions de van der Waals. Le manuscrit est structuré en 7 chapitres. Le chapitre 1 est notre introduction à cette thèse, incluant les motivations, les connaissances préalables sur nos sujets que nous intéressent ici, ainsi que notre contribution et principaux résultats. Le chapitre 2 présente les principaux éléments et définitions sur les CNTs. Nous décrivons ensuite les propriétés électroniques des CNTs et celles du graphène qui constitue un système de référence. Le chapitre 3 contient les éléments théoriques de notre étude. D'abord nous faisons une courte introduction à la Théorie Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ensuite nous présentons deux des fonctions d'échange-corrélation les plus utilisées, suivi d'une revue sur les fonctions de van der Waals dont la DFT ordinaire ne peut rendre compte. Finalement, nous faisons une brève introduction à la méthode DFTB que nous utilisons dans nos modélisations des CNTs. Dans le chapitre 4 nous présentons nos modélisations sur l'effondrement radial sous pression hydrostatique de nanotubes de carbone contenant soit de l'eau doit du dioxyde de carbone. Nous montrons que la présence de ces molécules à l'intérieur des tubes modifie la dynamique du processus d'effondrement radial, donnant lieu soit à un support mécanique et repoussant la pression d'effondrement radial soitréduisant leur stabilité mécanique. Pour les CNTs vides, l'effondrement radial est très peu affecté par la nature du milieu transmetteur de pression, mais déterminé par le diamètre des nanotubes de carbone. Nos modélisations avec la méthode DFTB sont en excellent accord avec les modèles de milieux continues surla dépendance de la pression d'effondrement radial avec le diamètre du tube, d, mais montrent égalementune déviation de ce modèle pour les petites valeurs de d, ce qui est dû au moins en partie à la nature atomistique des nanotubes de carbone. Dans le chapitre 5, nous présentons une étude théorique de l'effondrement radial en fonction de la pression pour des nanotubes de carbone à parois simple, double et triple. Nos modélisations sont réalisées par DFTB pour des diamètres internes allant de 0.6 à 3.3 nm. Quand les parois sont séparées par la distance graphitique, nous montrons que la pression d'effondrement radial, Pc, est déterminé par le diamètre du tube interne, din, mais avec un important écart par rapport à une loi à la Lévy-Carrier, Pcdin-3. Nous proposons une expression modifiée, Pcdin3= (1- 2/din2) où  et  sont des paramètres numériques. Dans le chapitre 6 nous étudions par DFT les propriétés électroniques et magnétiques d'une monocouche de MoS2 déposée sur une surface de Ni(111). La prise en compte des interactions de van der Waals s'est avérée essentielle afin de stabiliser la monocouche de MoS2. L'interface est métallique en raisonde la présence sur le niveau de Fermi d'états d du Mo. Elle présente une barrière Schottky de 0.3 eV et une probabilité tunnel pour les électrons élevée. Enfin le dernier chapitre constitue une synthèse des derniers résultats et la présentation de quelques perspectives / In this thesis we mainly use the density functional tight-binding method (DFTB) to investigate the effect of high pressure on carbon nanotubes (CNTs). We start by investigating the collapse behavior of individualized CNTs, either empty or filled with water and carbon dioxide molecules. Then we study the collapse process of bundled few-wall (double, triple wall) carbon nanotubes as the function of pressure combining theoretical and experimental studies. Afterwards, we investigate the electronic and magnetic properties of a monolayer MoS2 on the Ni(111) surface with accounting for van der Waals interactions by the density functional theory (DFT). The manuscript is structured in 7 chapters and the following paragraphs summarize the content by chapter of this document.Chapter 1 is our introduction of this thesis, including the motivation and background of our topic as well as our important findings and results. Chapter 2 introduces the main concepts and definitions of CNTs. Then we describe the electronic properties of CNTs as well graphene as a comparison. Chapter 3 consists of the theoretical framework used for our study. Firstly, a short introduction of Density Functional Theory (DFT) is presented. Next we list two mainly used exchange-correlation functions in DFT, then followed by an overview of van der Waals functions which normal DFT cannot account for. Finally, we briefly introduces the Density Functional Tight-Binding method (DFTB) which we use for our CNTs modeling simulation.In chapter 4, we present simulations of the collapse under hydrostatic pressure of carbon nanotubes containing either water or carbon dioxide. We show that the molecules inside the tube alter the dynamics of the collapse process, providing either mechanical support and increasing the collapse pressure, or reducing mechanical stability. At the same time the nanotube acts as a nanoanvil, and the confinement leads to the nanostructuring of the molecules inside the collapsed tube. In this way, depending on the pressure and on the concentration of water or carbon dioxide inside the nanotube, we observe the formation of 1D molecular chains, 2D nanoribbons, and even molecular single and multi-wall nanotubes. For the perfect empty CNTs, collapse behavior theoretically is barely affected by the PTM environment under high pressure but only mainly is determined by the CNTs diameter. Our simulation using DFTB method gives good agreement both for the d dependence predicted by continuum mechanics models and for the deviation at small d which is at least partly due to the atomistic nature of the carbon nanotubes. In chapter 5, we present a theoretical study of the collapse process of single-, double and triple-wall CNTs as a function of pressure. Our theoretical simulations were performed using DFTB for inner tube diameters ranging from 0.6 nm to 3.3 nm. When the walls are separated by the graphitic distance, we show that the radial collapse pressure, Pc, is mainly determined by the diameter of the innermost tube, din and its value significantly deviates from the usual Pcdin-3 Lévy-Carrier law. A modified expression, Pcdin3= (1- 2/din2) with  and  numerical parameters is proposed. In chapter 6 we investigate the electronic and magnetic properties of a monolayer of MoS2 deposited on a Ni(111) surface using DFT method. Accounting for van der Waals interactions is found to be essential to stabilize the chemisorbed MoS2 monolayer. The interface is metallic due to Mo d states positioned at the Fermi energy, with a Schottky barrier of 0.3 eV and a high tunneling probability for electrons. Small magnetic moments are induced on Mo and S atoms, while we measure a significant demagnetization of the Ni layer at the interface. Finally the last chapter synthesizes the main results of this work presenting also some perspectives

Afin de mieux appréhender la plasticité des alliages métalliques, il est important de pouvoir décrire à l'échelle atomique les interactions entre dislocations et solutés et d’en déduire l’effet sur la mobilité des dislocations. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux métaux de transition cubiques centrés (CC), et en particulier au fer, en présence de solutés interstitiels. A l’aide de calculs en Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), la structure de cœur de la dislocation vis de vecteur de Burgers b=½<111> a été étudiée dans le fer en présence de solutés de bore, carbone, azote et oxygène et dans les métaux CC des groupes 5 (V, Nb et Ta) et 6 (Mo, W) en présence de carbone. Nous avons mis en évidence dans le fer et les métaux du groupe 6 une reconstruction du cœur de la dislocation en présence de solutés, associée à une très forte énergie d’attraction dislocation/soluté. Un comportement différent a été observé pour le groupe 5, la configuration la plus stable pour le carbone étant un site octaédrique proche de la dislocation, sans reconstruction de cœur. Cette tendance de groupe a été reliée à la structure des mono-carbures. Les conséquences des interactions fortement attractives dans le fer en présence de carbone ont ensuite été développées. D’une part la ségrégation d’équilibre du carbone proche du cœur de la dislocation a été étudiée à l’aide de modèles en champ moyen et de simulations Monte Carlo. D’autre part, la mobilité de la dislocation décorée a été étudiée en modélisant le mécanisme de double décrochement, en lien avec des observations expérimentales en microscopie électronique à transmission / In order to improve our understanding of alloy plasticity, it is important to describe at the atomic scale the dislocation-solute interactions and their effect on the dislocation mobility. This work focuses on the body-centered cubic (BCC) transition metals, in particular Fe, in presence of interstitial solute atoms. Using Density Functional Theory (DFT) calculations, the core structure of the screw dislocation of Burgers vector b=½<111> was investigated in iron in presence of boron, carbon, nitrogen and oxygen solute atoms, and in BCC metals from group 5 (V, Nb, Ta) and 6 (Mo, W) in presence of carbon solutes. A core reconstruction was evidenced in iron and group 6 metals, along with a strong attractive dislocation-solute interaction energy. A different behavior was observed in group 5 metals, for which the most stable configuration for the carbon atom is an octahedral site in the vicinity of the dislocation, without any core reconstruction. This group tendency was linked to the structure of mono-carbides. Consequences of the strongly attractive dislocation-solute interactions in Fe(C) were then investigated. First the equilibrium segregation close to the dislocation core was studied using a mean-field model and Monte Carlo simulations. Then, the mobility of the dislocation in presence of carbon atoms was investigated by modeling the double-kink mechanism with DFT, in relation with experimental data obtained with transmission electron microscopy

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.

La formation des liaisons non covalentes et plus particulièrement des liaisons hydrogène joue un rôle majeur dans de nombreux processus biologiques, atmosphériques et astrophysiques. Les complexes hydratés (1:n) entre une molécule de diacétyle (C4H6O2) et une à plusieurs molécules d’eau (H2O) ont été étudiés selon des approches théoriques et expérimentales dans le but de caractériser leur structure et leur spectre vibrationnel. Sur le plan théorique les propriétés énergétiques, géométriques et vibrationnelles des complexes C4H6O2:(H2O)n ont été déterminées et une étude topologique spécifique a été réalisée sur le complexe 1:1 C4H6O2:H2O. A travers cette étude théorique, les premières étapes du mécanisme d’hydratation du diacétyle ont été mises en évidence et analysées en détail. En s’appuyant sur les techniques spectroscopiques infrarouges d’isolation en matrice de néon et de jet supersonique, plusieurs modes de vibration des isomères du complexe 1:1 ont été identifiés et leurs fréquences déterminées Enfin, un jeu de constantes de couplage anharmonique a été obtenu à partir de l’analyse des bandes harmoniques et de combinaison. / The formation of non-covalent bonds and more particularly hydrogen bonds play a major role in several biological, atmospheric and astrophysical chemistry issues. The theoretical and experimental investigation of hydrated complexes (1:n) between a diacetyl molecule (C4H6O2) and one or several water molecules (H2O) have been studied to characterize their structure and their vibrational spectrum. Energetical, geometrical and vibrational properties of C4H6O2:(H2O)n complexes have been determined from ab initio and DFT calculations. Moreover a topological analysis of the 1:1 C4H6O2:H2O complex has been carried out. Such theoretical investigations enabled to evidence and analyze in detail the first steps of diacetyl hydration. From neon matrix isolation and supersonic jet techniques coupled to infrared spectroscopy, several vibrational modes of 1:1 isomers have been detected and therefore their frequencies have been determined. Finally a set of anharmonic coupling constants have been derived from the spectral analysis of harmonic and combination bands.

Dans la plupart des applications concernant un fluide s'écoulant sur une surface solide, la condition de non-glissement est largement utilisée car elle est simple et produit des résultats en accord avec les expériences. Toutefois, cette condition de limite n'est plus appropriée lorsque l'écoulement considéré est à l'échelle micro ou nano-métrique. Pour modéliser cet effet à l'échelle macroscopique, les conditions aux limites de Navier ont été introduites, avec la longueur de glissement comme paramètre. Lorsque le fluide est un gaz, cette longueur est liée au coefficient d'accommodation tangentiel (TMAC) et au libre parcours moyen, selon le modèle de Maxwell. Le but de ce travail est de traiter systématiquement ce modèle par une approche multi échelle et de l'étendre en incorporant la morphologie et l'anisotropie de la surface. La thèse est composée de cinq chapitres. Après l'Introduction, les notions de base de la théorie cinétique des gaz, l'équation de Boltzmann et les solutions associées (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo…) sont rappelées dans le chapitre 1. Les modèles d'interaction gaz-paroi ainsi que les modèles de glissement introduits dans le cadre le la mécanique des fluides sont aussi rappelés. Le chapitre se termine par la description de la méthode de calcul par dynamique moléculaire (MD) utilisée dans ce travail. Le chapitre 2 est dédié au développement d'une technique simple afin de simuler les écoulements induits par la pression. Le principe est de se baser sur les formules atomistiques du tenseur des contraintes (Irving Kirkwood, Méthode de Plan, Contraintes Virielles) et de modifier les conditions périodiques, tout en maintenant la différence entre l'énergie cinétique des atomes à l'entrée et à sortie du domaine de calcul. Plusieurs types de conduite sont étudiés avec cette technique. Les résultats (température, vitesses, …) sont discutés et comparés. Le chapitre 3 concerne l'étude du potentiel d'interaction gaz-paroi par la méthode ab-initio. Le code CRYSTAL 09 est utilisé pour obtenir le potentiel entre un atome d'argon (Ar) et une surface de platine (Pt) <111> en fonction de la distance. Ensuite, le potentiel atome/surface est décomposé en potentiel binaire et approché par une fonction analytique. Cette fonction est ensuite implémentée dans un code MD pour simuler les collisions gaz-paroi et déterminer le coefficient TMAC.Dans le chapitre 4, l'effet de morphologie est étudié. Le potentiel multi-corps Quantum Sutton Chen(QSC) est utilisé pour le solide Pt <100> et un des potentiels binaires étudié dans le chapitre précédent pour le couple Ar-Pt. Le potentiel QSC est nécessaire pour reproduire l'effet de surface qui affecte le résultat final. Différentes surfaces sont traitées : surface lisse, surface nanostructurée, surface aléatoire obtenue par déposition de vapeur (CVD). Le coefficient TMAC est déterminé de façon généralisée, c.à.d en fonction de l'angle du flux d'atomes incidents sur la surface. Les anisotropies de surface et le noyau de collision sont également examinés. Dans le chapitre 5, on propose un modèle de glissement anisotrope pour les fluides en fonction du tenseur d'accommodation. Le modèle est obtenu par les calculs analytiques approchés développés dans le cadre de la théorie cinétique. On a ainsi généralisé l'équation de Maxwell en montrant que le tenseur de longueur de glissement est directement lié au tenseur d'accommodation. Le modèle est en bon accord avec les résultats de la méthode MD. Concernant la simulation MD, on a développé une technique pour reproduire l'anisotropie du tenseur d'accommodation. Le mémoire de thèse se termine par une synthèse des résultats obtenus. Des perspectives pour de futures études sont proposées / In most applications concerning a fluid flowing over a solid surface, the no-slip velocity condition was widely used because it is simple and produces the results in agreement with experiments. However, this dynamical boundary condition is not appropriate when the flow under consideration is at a micro or nano length scale.In order to model this effect at the macroscopic scale, the Navier boundary conditions have been introduced, with the slip length as a parameter. When the fluid is a gas, this length is related to the tangential momentum accommodation coefficient (TMAC) and the mean free path, according to the Maxwell model. The aim of this work is to systematically address this model using a multi-scale approach and to extend it by incorporating both the morphology and the anisotropy of a surface. The thesis consists of five chapters. In Chapter 1, the basics of the kinetic theory of gases, the Boltzmann equation and related solutions (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo ...) are briefly presented. The models of gas-wall interaction and slip models introduced in the fluid mechanics are also recalled. The chapter ends with a description of the computational method used for the molecular dynamics simulations performed in this work. Chapter 2 is dedicated to the development of a simple technique to simulate the pressure driven flows. The principle is to rely on the atomistic formulas of the stress tensor (Irving Kirkwood, Method of Plane, Virial Stress) and to modify the periodic conditions by maintaining the difference between the kinetic energy of the ingoing and outgoing particles of the simulation domain. Several types of channels are studied with this technique. The results (temperature, velocity ...) are discussed and compared. Chapter 3 deals with the study of the gas-wall interaction potential by the ab-initio method. The code CRYSTAL 09 is used to obtain the potential between an atom of argon (Ar) and a surface of platinum (Pt) <111> as a function of distance. Then the gas-wall potential is decomposed into binary potential and approached by an analytic function. This function is then implemented in a MD code to simulate the gas-wall collisions and determine the TMAC coefficient. In Chapter 4, the effect of morphology is studied. The multi-body Quantum Sutton Chen (QSC) potential is used for Pt <100> solid and the binary potential proposed in the previous chapter for the Ar-Pt couple is employed. The QSC potential is needed to reproduce the surface effects that affect the final results. Different surfaces are treated : smooth, nanostructured surface and, random surface obtained by Chemical vapor deposition (CVD). The TMAC is determined using a generalized approach, i.e. depending on the angle of incident flux of gas atoms on the surface. The surface anisotropy and the scattering kernel are also examined. In Chapter 5, we propose a model of anisotropic slip for fluids based on accommodation tensor. The model is obtained by the analytical approximate calculations developed in the framework of the kinetic theory. We thus generalize Maxwell's equation by showing that the slip length tensor is directly related to the accommodation tensor. The model is in good agreement with the MD results. Thanks to our MD simulations, we develop a suitable technique for reproducing the anisotropy of the accommodation tensor. The thesis ends with a conclusion section in which we suggest some perspectives for a continuation of this work

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.

Ce travail contribue à mieux connaître et contraindre la minéralogie du plomb. L'incorporation du plomb dans des minéraux du manteau terrestre a été étudiée ; on observe que deux phases importantes du globe sont des candidates pour accueillir le plomb : la phase CAS dans les plaques en subduction et la phase pérovskite CaSiO3 troisième minéral majeur du manteau inférieur. D'autres minéraux du manteau supérieur ont été également étudiés pour une incorporation du plomb. Des calculs ab-initio ont été réalisés sur un composé simple de plomb, PbO2. Ces calculs permettent de mettre en évidence l'évolution de PbO2 à hautes pressions jusqu'à 130 GPa. La spéciation du plomb dans des minéraux naturels métamictes a aussi été explorée : cette étude de l'élément fils des éléments radioactifs U et Th, dans ces minéraux naturels permet de mieux contraindre l'immobilisation durable des déchets nucléaires

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés. / This thesis focuses on the role of density functional theory in the design of polymers for photovoltaic applications. Theoretical calculations are first studied in the characterization of polymers in the context of collaborations between theory and experiment. The stability and the energy levels of some organic molecules are studied before and after a sulfurization of their carbonyl groups, a process destined to lower the band gaps. The dynamics of the electronic processes and the Raman vibration spectra are also explored in a polycarbazole-based polymer. From then, the usefulness of theoretical calculations in the design of polymers before their syntheses is explored. Density functional theory calculations are studied under the Scharber model in order to predict the efficiency of organic solar cells. Then, a new approach for the design of low band gap polymer based on the aromatic or quinoid structures is established, whose efficiency surpasses the actual donor-acceptor approach. These studies are used in the exploration of the chemical space and several candidate for polymers with interesting electronic properties are presented.

Le magnésium est l'un des quatre éléments majeurs sur Terre. Il est présent dans différentes proportions dans les verres industriels et naturels (jusqu'à 30 poids% dans les komatiites, verres ultramafiques d'âge archéen). Sa présence semble influencer les propriétés physico-chimiques des verres et tout spécialement leur durabilité. Malgré ce comportement, le magnésium a été relativement peu étudié dans les verres et les études précédentes ont conduit à des contradictions sur son environnement (coordinence 4 et 6 par RMN et en coordinence 5 par diffraction des neutrons). Dans le but de lever ces contradictions, l'étude de la structure des verres magnésio-silicatés et de l'environnement du magnésium a été réalisée en utilisant deux méthodes complémentaires : la spectrométrie Raman et la spectroscopie d'absorption des rayons X. La spectroscopie Raman permet d'obtenir des informations sur la structure des verres telle que la connectivité du réseau silicaté, la variation des angles Si-O-Si ou la modification de la taille des anneaux de silicium. Plus précisément, les variations de la région des spectres Raman comprise entre 800 et 1400 cm-1 illustrent l'évolution du degré de polymérisation des verres en fonction du taux de magnésium, du taux de silicium et de la nature de l'alcalin modificateur de réseau. La spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du magnésium nous a permis d'accéder à l'environnement spécifique autour de cet ion. Les spectres XANES des verres ont été comparés à ceux de références cristallines contenant du magnésium dans différents environnements (coordinence et nature des voisins notamment). Pour aller au-delà de la méthode dite « d'empreinte digitale », et extraire des informations structurales pertinentes, les spectres XANES des cristaux et des verres ont été calculés. Les calculs ont été réalisés avec un code basé sur une méthode en ondes planes, dans l'espace réciproque avec l'utilisation de potentiel non muffin-tin. L'utilisation des calculs a permis de mettre en évidence des paramètres structuraux pertinents pour expliquer la position des structures XANES. Pour les verres, les structures initiales utilisées pour les calculs ont été obtenus par dynamique moléculaire classique puis relaxée de façon ab initio. L'environnement du magnésium (coordinence/distorsion) peut varier en fonction de la composition du verre. De ce fait, les interprétations classiquement réalisées des spectres Raman des verres doivent être considérées avec précaution / The structure of magnesio-silicate glasses have been studied by using two complementray spectroscopic methods : (i) The Raman spectroscopy allows to obtain information on the silicate network and on the network connectivity. The variations of the region between 800 and 1400 cm?¹ show the evolution of the polymerization degree as a function of various compositions. (ii) The local environment of the magnesium has been investigated by X-ray absorption spectroscopy at the Mg K-edge. The XANES spectra have been compared with the spectra of model compounds containing magnesium in different environments. As it is not straightforward to extract relevant structural information of crystalline model compound spectra by the "fingerprint" method, we have used ab initio calculations based on the planewave method. The results obtained by calculations have allowed us to connect relevant structural characteristics with the positions of the XANES features

L'équipe micro-capteurs de l'IM2NP développe des capteursde gaz dont le principe de détection est basé sur la mesure de la variationde la conductance en présence de gaz. Le matériau utilisé comme élémentsensible est l'oxyde de tungstène (WO3) en couches minces. L'objet de cettethèse est donc d'étudier la surface de WO3 dans sa reconstruction c(2x2),obtenue par clivage selon la direction [001]. Cette étude a été également suivied'une étude des lacunes par des calculs ab initio basés sur la DFT, dans lesdeux approximations LDA et GGA. Ensuite, l'dsorption de molécules de gazsimples (O3, COx, NOx) sur des surfaces plus ou moins riches en oxygènea été effectuée. Pour simuler ces systèmes, nous avons fait le choix du codeSIESTA basé sur la DFT et qui présente l'avantage de pouvoir travailler. / The team of micro sensors at IM2NP mainly focuses onthe development of gas sensors based on measurement in conductancevariation in presence of gas. The material used as sensitive element istungsten oxide (WO3) thin film. The objective of present thesis is to studythe surface properties of WO3 in its reconstruction c(2x2), obtained bycleavage along the [001] direction. This study is also followed by a gapanalysis using ab initio calculations based on DFT in both LDA andGGA approximations. Then, the adsorption of molecules of simple gases((O3, COx NOx) for these surfaces (more or less rich in oxygen), is performed.To simulate these systems, we have chosen the SIESTA code based onDFT which is used for the larger number of atoms as compared to other codes.