This thesis presents a new theoretical formalism which incorporates dynamical effects in atomistic electronic structure and related calculations. This research, fundamental by nature, brings about a deeper understanding of the dynamical processes in a range of materials. This establishes technologically important correlation with experimentally measured macroscopic properties and materials characterization. This method—the first of its kind—is a natural and long overdue extension of customary adiabatically separated time-independent electronic structure methods. It accounts explicitly for atomic motion due to thermal and zero-point vibration. The approach developed requires no direct treatment of time dependence in the quantum mechanical calculations, making the method widely applicable utilizing currently available electronic structure and ab-initio molecular dynamics software. The formalism is extensively applied and demonstrated for the linear optical response of bulk gallium arsenide and electronic structure of the C(111) 2 x 1 surface. Both cases are complimented by comparison of key observables to experimental data which may be used to judge the quality of the results. The results are found to be in good agreement with experimental data, with most exceptions being readily explainable and well understood.

Materiais da família ACu3Ti4O12 (ACTO) são potenciais candidatos para aplicação como dielétricos em capacitores cerâmicos devido aos seus altíssimos valores de constante dielétrica (ε\'), podendo chegar a 105 à temperatura ambiente. Entretanto, a origem deste fenômeno, denominado constante dielétrica gigante (CDG), é ainda uma questão altamente discutida na literatura. Deste modo, para compreender melhor os mecanismos por trás da manifestação desta CDG, neste trabalho os compostos ACu3Ti4O12 (com A = Ca, Bi2/3) foram sintetizados por uma rota baseada no método dos precursores poliméricos, sendo as reações envolvidas durante a síntese investigadas por análise térmica diferencial (ATD) e termogravimentria (TG). O subsequente processamento cerâmico foi realizado via sinterização tanto convencional quanto não convencional, utilizando, neste último caso, sinterização a laser e assistida por campo elétrico. As características (micro)estruturais foram avaliadas por meio de difratometria de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX). Já as propriedades (di)elétricas foram estudadas, em nível microestrutural, utilizando espectroscopia de impedância (EI). Destas caracterizações, verificou-se que tanto as características (micro)estruturais quanto as propriedades (di)elétricas são fortemente influenciadas pelas condições de processamento. Neste sentido, mostramos que estes materiais podem apresentar baixos valores de permissividade à temperatura ambiente (ε\' ~ 102), típicos da resposta do volume, quando possuem grãos resistivos. Em contrapartida, quando as cerâmicas apresentam grãos semicondutores, valores de constante dielétrica gigante (ε\' >103) são verificados à temperatura ambiente devido à manifestação de efeitos de polarização interfacial. O caráter semicondutor dos grãos surge de maneira termicamente assistida. Isto ocorre porque, em maiores temperaturas, há uma migração de Cu para as regiões intergranulares das cerâmicas e também uma reação de redução do Cu2+ em Cu+. Durante o resfriamento o Cu+ reoxida, dando origem a semicondutividade dos grãos (deficientes em Cu). Como as condições empregadas na sinterização influenciaram as propriedades finais das cerâmicas, incluindo tamanho médio de grãos, decidimos inovar no processamento cerâmico ao aplicar um campo elétrico durante o tratamento térmico partindo de um pó ainda amorfo. Isto levou à observação de dois cenários: i) em altos campos, o pó sai de seu estado amorfo, passa pela cristalização de fases intermediárias, seguida de síntese ultrarrápida (flash synthesis), sem densificação; ii) em baixos campos, o pó transita do estado amorfo à fase final (passando pela cristalização das fases intermediárias), acompanhada de sinterização ultrarrápida (flash sintering), com alta densificação, tudo isso em um único experimento (FAST O3S). Finalmente, mostramos assim que utilizar um campo elétrico durante o tratamento térmico pode acelerar significativamente as taxas tanto de síntese quanto de sinterização, o que abre um novo paradigma no processamento de materiais cerâmicos. / Materials of the ACu3Ti4O12 (ACTO) family are potential candidates for application as dielectric in ceramic capacitors due to their extremely large dielectric constant (ε\'), which can reach 105 at room temperature. However, the origin of such large ε\' values, known as giant dielectric constant (GDC), is still an open debate in the literature. In order to better understand the mechanisms behind the manifestation of the GDG phenomenon, in this work, the compounds ACu3Ti4O12 (with A = Ca, Bi2/3) were synthesized by applying a modified polymeric precursor method. The reactions taking place during the powders synthesis were investigated through differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetry (TG). The ceramic processing was then performed via conventional as well as non-conventional sintering, using, in the latter case, both laser and electric field-assisted sintering. The (micro)structural characteristics were evaluated by X-ray diffraction (DRX), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Regarding the (di)electric properties, they were examined (at the microstructural level) using impedance spectroscopy (IS). We have shown from these characterizations that both (micro)structural and (di)electric features are strongly dependent on processing conditions. In this sense, we have demonstrated that these materials might present a low permittivity at room temperature (ε\' ~ 102), typical from the bulk response, when the ceramic grains are resistive. On the other hand, when the grains are semiconducting, giant dielectric constant values (ε\' >103) are verified at room temperature due to the manifestation of interfacial polarization effects. The semiconducting nature of the grains is promoted by a thermally-assisted mechanism, i.e., at higher temperatures there is Cu migration towards the ceramic intergranular areas and also a reduction of Cu2+ to Cu+. During cooling, the Cu+ re-oxidizes yielding the grain (Cu-deficient) semiconductivity. Since the conditions employed during the sintering have influenced the final ceramic properties, including the average grain size, we propose a novel approach to the ceramic processing by applying an electric field during the heat treatment starting from an amorphous powder, which led to the following scenarios: i) powder crystallization into the intermediate phases and then instantaneously into the final phase (flash synthesis), displaying no densification, at high fields; ii) powder transition from amorphous to the final phase (through crystallization into intermediate phases), followed by sintering with high densification, at low fields: this is the fast one-step synthesis plus sintering (FAST O3S) of materials, which ends with the so-called flash sintering. Finally, we have demonstrated that both synthesis and sintering rates can be enhanced by applying an electric field during the heat treatment, opening a new paradigm for ceramic processing.

Materiais da família ACu3Ti4O12 (ACTO) são potenciais candidatos para aplicação como dielétricos em capacitores cerâmicos devido aos seus altíssimos valores de constante dielétrica (ε\'), podendo chegar a 105 à temperatura ambiente. Entretanto, a origem deste fenômeno, denominado constante dielétrica gigante (CDG), é ainda uma questão altamente discutida na literatura. Deste modo, para compreender melhor os mecanismos por trás da manifestação desta CDG, neste trabalho os compostos ACu3Ti4O12 (com A = Ca, Bi2/3) foram sintetizados por uma rota baseada no método dos precursores poliméricos, sendo as reações envolvidas durante a síntese investigadas por análise térmica diferencial (ATD) e termogravimentria (TG). O subsequente processamento cerâmico foi realizado via sinterização tanto convencional quanto não convencional, utilizando, neste último caso, sinterização a laser e assistida por campo elétrico. As características (micro)estruturais foram avaliadas por meio de difratometria de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX). Já as propriedades (di)elétricas foram estudadas, em nível microestrutural, utilizando espectroscopia de impedância (EI). Destas caracterizações, verificou-se que tanto as características (micro)estruturais quanto as propriedades (di)elétricas são fortemente influenciadas pelas condições de processamento. Neste sentido, mostramos que estes materiais podem apresentar baixos valores de permissividade à temperatura ambiente (ε\' ~ 102), típicos da resposta do volume, quando possuem grãos resistivos. Em contrapartida, quando as cerâmicas apresentam grãos semicondutores, valores de constante dielétrica gigante (ε\' >103) são verificados à temperatura ambiente devido à manifestação de efeitos de polarização interfacial. O caráter semicondutor dos grãos surge de maneira termicamente assistida. Isto ocorre porque, em maiores temperaturas, há uma migração de Cu para as regiões intergranulares das cerâmicas e também uma reação de redução do Cu2+ em Cu+. Durante o resfriamento o Cu+ reoxida, dando origem a semicondutividade dos grãos (deficientes em Cu). Como as condições empregadas na sinterização influenciaram as propriedades finais das cerâmicas, incluindo tamanho médio de grãos, decidimos inovar no processamento cerâmico ao aplicar um campo elétrico durante o tratamento térmico partindo de um pó ainda amorfo. Isto levou à observação de dois cenários: i) em altos campos, o pó sai de seu estado amorfo, passa pela cristalização de fases intermediárias, seguida de síntese ultrarrápida (flash synthesis), sem densificação; ii) em baixos campos, o pó transita do estado amorfo à fase final (passando pela cristalização das fases intermediárias), acompanhada de sinterização ultrarrápida (flash sintering), com alta densificação, tudo isso em um único experimento (FAST O3S). Finalmente, mostramos assim que utilizar um campo elétrico durante o tratamento térmico pode acelerar significativamente as taxas tanto de síntese quanto de sinterização, o que abre um novo paradigma no processamento de materiais cerâmicos. / Materials of the ACu3Ti4O12 (ACTO) family are potential candidates for application as dielectric in ceramic capacitors due to their extremely large dielectric constant (ε\'), which can reach 105 at room temperature. However, the origin of such large ε\' values, known as giant dielectric constant (GDC), is still an open debate in the literature. In order to better understand the mechanisms behind the manifestation of the GDG phenomenon, in this work, the compounds ACu3Ti4O12 (with A = Ca, Bi2/3) were synthesized by applying a modified polymeric precursor method. The reactions taking place during the powders synthesis were investigated through differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetry (TG). The ceramic processing was then performed via conventional as well as non-conventional sintering, using, in the latter case, both laser and electric field-assisted sintering. The (micro)structural characteristics were evaluated by X-ray diffraction (DRX), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Regarding the (di)electric properties, they were examined (at the microstructural level) using impedance spectroscopy (IS). We have shown from these characterizations that both (micro)structural and (di)electric features are strongly dependent on processing conditions. In this sense, we have demonstrated that these materials might present a low permittivity at room temperature (ε\' ~ 102), typical from the bulk response, when the ceramic grains are resistive. On the other hand, when the grains are semiconducting, giant dielectric constant values (ε\' >103) are verified at room temperature due to the manifestation of interfacial polarization effects. The semiconducting nature of the grains is promoted by a thermally-assisted mechanism, i.e., at higher temperatures there is Cu migration towards the ceramic intergranular areas and also a reduction of Cu2+ to Cu+. During cooling, the Cu+ re-oxidizes yielding the grain (Cu-deficient) semiconductivity. Since the conditions employed during the sintering have influenced the final ceramic properties, including the average grain size, we propose a novel approach to the ceramic processing by applying an electric field during the heat treatment starting from an amorphous powder, which led to the following scenarios: i) powder crystallization into the intermediate phases and then instantaneously into the final phase (flash synthesis), displaying no densification, at high fields; ii) powder transition from amorphous to the final phase (through crystallization into intermediate phases), followed by sintering with high densification, at low fields: this is the fast one-step synthesis plus sintering (FAST O3S) of materials, which ends with the so-called flash sintering. Finally, we have demonstrated that both synthesis and sintering rates can be enhanced by applying an electric field during the heat treatment, opening a new paradigm for ceramic processing.