Apresentamos cálculos de primeiros princípios da geometria atômica, energia de formação e estrutura eletrônica para as impurezas substitucionais de oxigênio e nitrogênio em GaAs (\'O IND. aS1\'\'N IND.As \'e \'N IND. Ga\'). Também estudamos a geometria atômica e estrutura eletrônica dos complexos neutros formados pelas mesmas impurezas substitucionais e átomos de hidrogênio intersticial (\'O IND. As-H\',\'N IND. As-H\',\'N IND. Ga-H\', \'N IND. As-H IND.2\' e \'N IND. Ga-H IND 2\'). Nossos resultados para os centros \'O IND. As\'e \'N IND. Ga\', em diferentes estados de carga, mostram distorções Jahn-Teller as quais induzem estados de carga não estáveis, observando-se um comportamento U-negativo para cada centro. Entretanto para o centro \'N IND. As\' não foram observadas distorções. Em todos os sistemas estudados, as impurezas introduzem níveis profundos no gap. Para os complexos O-H e N-H foram encontradas várias configurações metaestáveis, correspondentes a diferentes posições de equilíbrio do átomo de hidrogênio, as quais apresentam energias entre 0.5 e 2.5 e V relativas à configuração estável. Na configuração estável do complexo \'O IND. As-H\', oxigênio não interage diretamente com hidrogênio, ligando-se a três gálios primeiros vizinhos. Entretanto para os complexos \'N IND. As-H\' e \'N IND. Ga\'-Hg\' é observada a formação de um dímero NH ligado à rede. Para os complexos N-\'H IND. 2\' também são encontradas várias configurações metaestáveis. O complexo\'N IND. As\'-\'H IND. 2\' apresenta uma configuração estável onde um dos hidrogênios forma o dímero NH, enquanto que o segundo fica ligado a um gálio primeiro vizinho, em simetria \'C IND. 3 v\'. Para o complexo \'N IND. Ga\'-\'H IND.2\' é observada a formação de uma molécula do tipo N\'H IND.2\', a qual também se liga à rede. As propriedades passivadora e ativadora do átomo de hidrogênio, como também sua interação com os níveis no gap, são discutidas para cada complexo / We report first-principles calculations of the electronic structure, atomic geometry and formation energy for the isolated oxygen and nitrogen substitutional impurities in GaAs (OA, NA, and Naa)· Also we performed electronic structure and atomic geometry calculations for the neutra! complexes formed by the same substitutional impurities and interstitial hydrogen atoms (O A,-H,NA,-H, Naa-H, Nk,-H2 and Naa-H2). Our results for the O ko and Naa centers for different charge states show Jahn-Telier distortions which induce unstable charge states, implying in a nega tive-U behaviour for each center. The NA-< center remains on-site for ali the charge states studied. Ali the substitutional impurity give rise deep leveis in the gap. For the 0-H and N-H complexes we found severa! metastable configurations related to different hydrogen equilibrium positions, with energies ranging from 0.5 to 2.5 eV relative to the stable configuration. The stable configuration for the O A,-H complex shows a weak interaction between oxygen and hydrogen, while for the NA,-H and Naa-H complexes it shows the formation of a N H dimer which is bonded to the lattice. For the N-H2 complexes we also found severa! metastable configuration. The stable configuration for the Nk,-H2 complex shows one H atom fonning a N H dimer wit.h nitrogen, while the second one bonds with a nearestneighbour Ga atom, in C3, symmetry. For the Naa·H2 complex we observed the formation o f a N H T like molecule ais o bonded to the lattice. The passivation and activation properties related to hydrogen atom and their interaction with the gap leveis are discussed.

Neste trabalho investigamos a estrutura eletrônica de fios quânticos formados por distribuição de carga espacial, obtidos a partir da incorporação de dopantes nos degraus que delimitam planos vicinais em semicondutores. Estudos experimentais recentes, que combinam o crescimento epitaxial em planos vicinais (terraços) sobre o GaAs com as técnica de dopagem planar abrupta, sugerem que a incorporação do dopante (Silício) ocorre preferencialmente ao longo das linhas que delimitam os planos vicinais deste semicondutor. Baseados em resultados teóricos recentes, que sugerem que a aproximação semiclássica de Thomas-Fermi é capaz de reproduzir o potencial auto-consciente de sistemas eletrônicos criados a partir de distribuições de carga de origem puramente espacial, vários efeitos tais como: difusão de dopantes, temperatura finita e densidade residual de aceitadores puderam ser investigados neste nível de aproximação. As equações de Kohn-Sham na aproximação de densidade local (T=0K) foram também empregadas com o propósito de avaliar-se a possível influência de efeitos de não localidade do funcional energia cinética e efeitos de muitos corpos (troca e correlação) que foram ignorados pela abordagem semiclássica. / In this work we investigate the electronic structure of space-charge quantum wires obtained via attachment of donors in misorientation steps of semiconductor vicinal surfaces. Recent experimental studies, combining epitaxial growth on GaAs (100) vicinal surfaces (terraces) with the ?-doping technique, suggests that the incorporation of Silicon donors is preferential along the lines that delimit the vicinal terraces in this semiconductor. Based on recent theoretical results suggesting that the Thomas-Fermi is a reliable approximation for the self-consistent potential fo space-charge layers, we have employed this approximation to study the possible influence of various factors such as diffusion of dopants, finite temperature and residual density of acceptors on the electronic structure of these wires. The Kohn-Sham equations, within the local density approximation (T=0K), were also solved as the propose of evaluating the influence of effects due to the non-locality of the kinectic energy densities functional and many body effects (exchange and correlation) that were ignored in the semiclassical approximation.

Neste trabalho, propusemos um método autoconsistente de espaço direto para o calculo de estrutura eletrônica. O método se baseia no formalismo LNTO -ASA na representação fortemente ligada (light-binding) e no método de recorrência aliado ao terminador de Beer & Pettifor. Neste método o custo computacional cresce linearmente com o numero de átomos não equivalentes na cela primitiva sendo, portanto, ideal para tratar sistemas complexos que não apresentam periodicidade ou que possuem um grande numero de átomos não equivalentes por cela primitiva. Podemos, por exemplo, estudar de forma autoconsistente a estrutura eletrônica das vizinhanças de uma impureza com um custo computacional apenas cinco ou seis vezes maior que o de um metal puro. O método aqui proposto tem a vantagem adicional de ser fisicamente transparente. Para avaliarmos a eficácia do método, comparamos nossos resultados autoconsistentes obtidos para a liga cristalina ZR IND.2FE com os resultados obtidos pelo processo autoconsistente de espaço reciproco. O material em questão tem uma estrutura cristalina simples com seis átomos por cela primitiva e o calculo de estrutura eletrônica pode ser resolvido por métodos usuais de espaço reciproco. A presença do FE com sua banda d estreita e com uma alta densidade de estados no nível de Fermi tornara o processo de convergência não trivial. / In this work we have proposed a first-principles selfconsistent method which allows us to perform electronic structure calculations in real space. The scheme, based on the LNTO ASA formalism and the Recursion Method, enables us to evaluate the electronic structures of complex systems, with good degree of precision and low computational costs. Using Zr 2 Fe as test case, we compare our real-space results with those obtained in reciprocal space using the standard LMTO - ASA procedure. The agreement is very good showing the efficiency of the real-space approach. We note that the real-space method developed here presents advantages for the evaluation of local properties and can be applied for non-periodic systems. For instance, we can describe the electronic structure in a large region around a substitutional impurity with very little cost. lf we consider five shells around the impurity the cost in real-space will be about seven times the cost of the calculation for a mono atomic system.

É crescente o interesse, dentre os diversos tipos de dispositivos fotovoltaicos, nas células solares com corantes (dye-sensitized solar cell, DSCC). Isto é devido não só aos menores custos de produção (química molhada), mas também ao grande número de combinações orgânico/semicondutor que podem ser utilizadas, buscando as propriedades de interesse de cada dispositivo. Em uma DSSC a absorção de luz é realizada pelo material orgânico, que injeta o elétron no semicondutor para sua extração como corrente. A neutralidade da molécula é recuperada através de um eletrólito transportador de carga a partir do outro terminal. Este problema é de difícil investigação experimental, devido ao grande número de variáveis envolvidas, já que qualquer defeito ou mudança na deposição pode alterar o processo de transferência de carga. Da mesma forma, também o estudo teórico apresenta grande dificuldade, sendo necessária a adoção de modelos simplificados para o estudo, buscando um entendimento mais profundo dos processos que ocorrem durante a absorção de luz. Neste trabalho investigamos uma combinação de materiais de alta relevância, ácido retinóico sobre óxido de titânio na fase anatase, a mais importante para nanoestruturas. Realizamos uma investigação detalhada da aplicabilidade de diferentes metodologias ao problema, focalizando as características eletrônicas e óticas, e buscando evidências de transferência de carga. Para tal, analisamos modelos simples (materiais isolados, e outros sistemas diferentes de mesmas características), utilizando métodos vindos de diferentes postulações iniciais, como Hartree-Fock e Funcional da Densidade, e também partindo tanto de implementações ab initio (primeiros princípios) como de formulações semi-empíricas. Por fim, escolhida uma metodologia ideal, estudamos sistemas mais realistas de interfaces orgânico/óxido. Nossos resultados indicam a influência das dimensões nanoscópicas da matriz inorgânica nas propriedades de fotocolheita, assim como a grande importância da ligação covalente, presente na montagem quimissorvida molécula/superfície, que altera as propriedades óticas de ambos os componentes. / There is growing interest, among the many types of photovoltaic devices, in dye-sensitized solar cells (DSSC). The reasons for that are not only the lower costs of production (wet chemistry), but also the large number of organic/semiconductor combinations that can be made, depending on the properties that are interesting for each device. On a DSSC the light absorption occurs in the organic material, from which the electron is transferred to the semiconductor for current generation. The molecule regains its neutrality through an electrolyte that carries charge from the opposing terminal. The experimental investigation of this problem is very difficult, due to the large num- ber of variables involved, as any defect or change on the deposition can affect the charge transfer process. Similarly, the theoretical study is also difficult, making necessary the use of simplified models for the system to gain deeper understanding of the processes of light absorption. In this work we have studied a combination of large relevancy, retinoic acid over titanium oxide, at the anatase phase, the most important for nanostrucutres. We have thoroughly investigated the applicability of several methodologies, focusing at electronic and optical characteristics, and searching for evidences of charge transfer. For this we analyzed sim- ple models (isolated materials, and other systems that share the same characteristics), using methodologies from different starting theories, as Hartree-Fock and Density Functional The- ory, and also applying both ab initio and semi-empirical approaches. Once chosen the best methodology, we studied a more realistic system, true organic/oxide interfaces. Our results show the influence of the nanoscopic dimensions of the inorganic substrate on the properties of the photoharvest, and also the fundamental role played by the covalent bond that exists on the chemisorbed deposition of molecule/surface, that alters the optical properties of both components.

Neste trabalho estudamos o efeito de empacotamento, em diferentes formas condensadas, sobre as propriedades estruturais e eletrônicas de um polímero orgânico conjugado, a polianilina, através de simulações teóricas. A metodologia teórica empregada depende do número de átomos nos sistemas escolhidos, e das propriedades investigadas. Assim, para os filmes com milhares de átomos, utilizamos métodos clássicos para a obtenção das propriedades estruturais. Já para o estudo das propriedades eletrônicas, utilizamos métodos quânticos aplicados a sistemas cristalinos. Para estudar as propriedades estruturais em filmes de polianilina, foi necessário parametrizar um campo de força, e escolhemos o UNIVERSAL1.02 (UFF). Os testes iniciais com o novo campo, UFFn, em sistemas cristalinos de polianilina foram promissores, e pudemos obter simulações de filmes realísticos homogêneos, tanto para sistemas reduzidos como oxidados. A densidade obtida para os sistemas poliméricos representam muito bem o valor experimental, e resultados de raios-X e função de distribuição radial são muito semelhantes aos encontrados na literatura. Através do método ab initio SIESTA, estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas de sistemas moleculares e cristalinos lD e 3D de polianilina, no estado reduzido e oxidado. Verificamos o efeito de oxidação já para os trímeros de anilina. As interações intra e intercadeias dos sistemas cristalinos são refletidas nas suas propriedades eletrônicas e são analisadas através da estrutura de bandas e densidade de carga. Arranjos diferentes no empacotamento dos cristais revelam um efeito significativo nas propriedades de transporte do material. / In this work we study the effect of packing, in different condensed forms, on the structural and electronic properties of a conjugated organic polymer, polyaniline, through theoretical simulations. The theoretical methodology that we used depends on the number of atoms of the chosen systems and also on the investigated properties. In this way, for films with thousands of atoms we used classical methods, in order to investigate structural properties. For the study of the electronic properties, we used quantum methods applied to crystalline systems. For the study of the structural properties of polyaniline films, it was necessary to parameterize a force field, and we chose the UNIVERSAL1.02 (UFF) field. The initial tests with the new field, UFFn, in crystalline films of polyaniline were successful, and we were able to obtain simulations of realistic homogeneous films for both reduced and oxidized systems. The density obtained for polymeric systems represents well the experimental value, and results of X-rays as a function of the radial distribution are very similar to those found in literature. By means of the ab initio SIESTA method, we studied the structural and electronic properties of molecular and lD and 3D crystalline systems of polyaniline, in the reduced and oxidized states. We verified the oxidation effect already for trimers of aniline. The inter-chain and intra-chain interactions of the crystalline systems are reflected in their electronic properties and were analyzed through the band structure and charge density. Different arrangements in the packing of the crystals reveal a significative effect in the transport properties of the material

Neste trabalho, apresentamos um metodo baseado no formalismo lmto-asa (combinacao linear de orbitais muffin-tin na aproximacao de esfera atomica) e no metodo de recorrencia, que possibilita calculos autoconsistentes de primeiros principios com polarizacao de spin no espaco direto. Para testar o metodo, calculamos a estrutura eletronica dos sistemas FENI IND.5 (ferromagnetico) e FEMN (antiferromagnetico). Os resultados mostraram boa concordancia com os obtidos por outros metodos. A fim de ilustrar o metodo aplicado a um sistema nao-periodico, calculamos a estrutura eletronica e a distribuicao local de momentos magneticos para um sistema constituido de uma impureza substitucional de FE numa matriz CU. Nossos resultados para momento magnetico e densidade de estados local para o sitio de impureza, concordam bem com resultados via metodo kkr-funcao de gren e experimentais, da literatura. O metodo aqui descrito e bastante flexivel e e muito util na obtencao de momentos magneticos locais em sistemas complexos / In this work we present an approach based on the linear muffin-tin orbital (LMTO) formalism in the atomic sphere approximation (ASA) and on the recursion method which allows us to perform first principies calculations in real space. To test the method, we obtain the electronic structure of ferromagnetic FeNi3 e antiferromagnetic FeMn. The results compare well with those obtained by others methods. To illustrate the scheme applied to a non-periodic system, we calculate the electronic structure and local magnetic moments for a substitutional impurity of Fe in a Cu host. Our results for the magnetic moment and local density of states at the Fe site, agree well with KKR-Green functions and experimental results in the literature. The scheme described here is extremely flexible and is very useful to obtain local distribuition of magnetic moments in complex metallic systems.

As interações intermoleculares em meio líquido foram estudadas através do uso de uma metodologia sequencial que combina simulações clássicas com cálculos de mecânica quântica. Estudamos, em ordem crescente de complexidade, os efeitos de uma carga em meio líquido, o sódio em hélio líquido e moléculas complexas (benzotriazol e aminonopurina) em meio aquoso. As estruturas do líquido foram geradas usando simulações clássicas de Monte Carlo. Os efeitos das interações soluto-solvente foram obtidos através do cálculo de propriedades eletrônicas em meio líquido. Valores médios para a energia de ligação, energia de transição eletrônica e momento de dipolo de estados eletrônico fundamental e excitados foram calculados para estruturas descorrelacionadas obtidas na simulação. A variação das propriedades dos níveis eletrônicos pode ser correlacionada com o deslocamento solvatocrômico medido diretamente para a molécula em meio líquido e em fase gasosa. Esta metodologia vem sendo usada com a combinação do método de Monte Carlo com cálculos semiempíricos. Um passo adicional dado nesta tese é a combinação do método Monte Carlo com métodos quânticos de primeiros princípios, multiconfiguracionais e baseados em teoria do funcional da densidade. Dentre as interações intermoleculares foram consideradas também as ligações de hidrogênio formadas na interação soluto-solvente. O caso específico estudado foi a hidratação do par de bases guanina-citosina. / Molecular interactions in liquid environment were studied by a sequential methodology combining classical simulations with quantum mechanical calculations. We studied, an increase of difficulty, the effects of a charge in aqueous environment, the sodium atomem liquid helium and complex molecules like benzotriazole and aminopurine in aqueous environment. The structures of the liquid were generated with classical Monte Carlo simulations. The effects of the solute-solvent interactions were obtained by electronic proprieties in liquid environment. Averaged values for interaction energies, electronic transition energies and dipole moments in fundamental and excited states were calculated with uncorrelated configurations obtained during the simulations. The change of the proprieties can be correlated with the solvatocromic shift which can be directly measured for molecules in liquid and in gas phase. This methodology was used in combination of Monte Carlo method with semi-empirical calculations. An additional step implemented in this thesis is the combination of Monte Carlo simulation with first principle calculations like multiconfigurational and density functional theory based calculations. Among the intermolecular interactions, the hydrogen bond interactions formed in the solute-solvent interaction. An specific case studied was the hydration of the guanine-cytosine base pair.

Calculamos a estrutura eletrônica de heteroestruturas semicondutoras III-V e II-VI na aproximação da função envelope, usando o método k.p, na presença de campos elétricos e magnéticos externos. Para isso desenvolvemos um método numérico baseado na técnica das diferenças finitas e no método da potência inversa para resolvermos a equação de massa efetiva. As principais características desse método são a estabilidade, a rápida convergência e a possibilidade de calcular os estados ligados de poços quânticos com formas arbitrárias na presença de campos elétricos e magnéticos. Investigamos inicialmente o tunelamento ressonante de portadores em um poço quântico duplo assimétrico de GaAs/GaAlAs na presença de um campo elétrico aplicado na direção de crescimento e de um campo magnético aplicado no plano perpendicular. Mostramos como as relações de dispersão de um poço quântico simples podem ser obtidas experimentalmente da curva do campo elétrico versus campo magnético ressonante e como, para determinadas intensidades desses campos, podemos colocar os estados eletrônicos e de buracos em ressonância simultaneamente, isto é, mostramos a possibilidade de termos o tunelamento ressonante de éxcitons. Investigamos também o tunelamento ressonante de portadores em um poço quântico duplo assimétrico de CdTe/CdMnTe na presença de um campo elétrico e de um campo magnético aplicados na direção de crescimento. Mostramos então como podemos obter o tunelamento ressonante de elétrons, buracos e também de éxcitons. Outro problema estudado foi a anisotropia do efeito Zeeman com a direção do campo magnético aplicado em um poço quântico simples de CdTe/CdMnTe. Calculamos os níveis de energia e as transições eletrônicas desse sistema em função da intensidade e da direção do campo magnético. Em todos os casos fazemos uma comparação dos nossos resultados com dados experimentais apresentados na literatura. / The electronic structure of III-V and II-VI semiconductor heterostructures has been calculated in the envelope function approximation using the k.p method in the presence of external electric and magnetic fields. A numerical method based on the technique of the finite differences and in the inverse power method has been developed to solve the effective-mass equation. The main features of this method are stability, fast convergence and ability to calculate bound states of quantum wells with arbitrary shapes including electric and magnetic fields. We investigate the resonant tunneling of carriers in an GaAs/GaAlAs asymmetric double quantum well in the presence of an electric field applied in the growth direction and a magnetic field applied in the perpendicular plane. We show how the dispersion relation of a quantum well can be experimentally determined from the electric versus resonant magnetic fields curves. For certain intensities of these fields, we can make both electrons and holes resonate simultaneously, which leads to resonant tunneling of excitons. The resonant tunneling of carriers has also been investigated in a CdTe/CdMnTe asymmetric double quantum well in the presence of an electric field and a magnetic field applied both in the growth direction. For this system we show that how we can obtain resonant tunneling of electrons, holes and excitons. Finally, we have studied the anisotropy of the Zeeman Effect as a function of the direction of the magnetic field for a CdTe/CdMnTe quantum well. We calculated the energy levels and the electronic transitions of this system as a function of the intensity and the direction of the magnetic field. In all the cases we compare our results with available experimental data.

The growing fields of spintronics and nanotechnology have created increased interest in developing the means to manipulate the spin of electrons. One such method arises from the combination of the spin-orbit interaction and the broken inversion symmetry that arises at surfaces and interfaces, and has prompted many recent investigations on metallic surfaces. A method by which surface states, in the absence of spin orbit effects, have been successfully investigated is the Green function embedding scheme of Inglesfield. This has been integrated into a self consistent FLAPW density functional framework based on the scalar relativistic K¨olling Harmon equation. Since the spin of the electron is a direct effect of special relativity, calculations involving the spin orbit interaction are best performed using solutions of the Dirac equation. This work describes the extension of Green’s function embedding to include the Dirac equation and how fully relativistic FLAPW surface electronic structure calculations are implemented. The general procedure used in performing a surface calculation in the scalar relativistic case is closely followed. A bulk transfer matrix is defined and used to generate the complex band structure and an embedding potential. This embedding potential is then used to produce a self consistent surface potential, leading to a Green’s function from which surface state dispersions and splittings are calculated. The bulk embedding potential can also be employed in defining channel functions and these provide a natural framework in which to explore transport properties. A relativistic version of a well known expression for the ballistic conductance across a device is derived in this context. Differences between the relativistic and nonrelativistic methods are discussed in detail. To test the validity of the scheme, a fully relativistic calculation of the extensively studied spin orbit split L-gap surface state on Au(111) is performed, which agrees well with experiment and previous calculations. Contributions to the splitting from different angular momentum channels are also provided. The main advantages of the relativistic embedding method are the full inclusion of the spin orbit interaction to all orders, the true semi infinite nature of the technique, allowing the full complex bands of the bulk crystal to be represented and the fact that a only small number of surface layers is needed in comparison to other existing methods.

This thesis is concerned with the development of a Projector Quantum Monte Carlo method for non-linear wavefunction ansatzes and its application to strongly correlated materials. This new approach is partially inspired by a prior application of the Full Configuration Interaction Quantum Monte Carlo (FCIQMC) method to the three-band (p-d) Hubbard model. Through repeated stochastic application of a projector FCIQMC projects out a stochastic description of the Full Configuration Interaction (FCI) ground state wavefunction, a linear combination of Slater determinants spanning the full Hilbert space. The study of the p-d Hubbard model demonstrates that the nature of this FCI expansion is profoundly affected by the choice of single-particle basis. In a counterintuitive manner, the effectiveness of a one-particle basis to produce a sparse, compact and rapidly converging FCI expansion is not necessarily paralleled by its ability to describe the physics of the system within a single determinant. The results suggest that with an appropriate basis, single-reference quantum chemical approaches may be able to describe many-body wavefunctions of strongly correlated materials. Furthermore, this thesis presents a reformulation of the projected imaginary time evolution of FCIQMC as a Lagrangian minimisation. This naturally allows for the optimisation of polynomial complex wavefunction ansatzes with a polynomial rather than exponential scaling with system size. The proposed approach blurs the line between traditional Variational and Projector Quantum Monte Carlo approaches whilst involving developments from the field of deep-learning neural networks which can be expressed as a modification of the projector. The ability of the developed approach to sample and optimise arbitrary non-linear wavefunctions is demonstrated with several classes of Tensor Network States all of which involve controlled approximations but still retain systematic improvability towards exactness. Thus, by applying the method to strongly-correlated Hubbard models, as well as ab-initio systems, including a fully periodic ab-initio graphene sheet, many-body wavefunctions and their one- and two-body static properties are obtained. The proposed approach can handle and simultaneously optimise large numbers of variational parameters, greatly exceeding those of alternative Variational Monte Carlo approaches.