Since the development of the understanding that the electron distribution within a molecule is chiefly responsible for its properties and behavior, factors influencing this charge distribution have been of interest to scientists. The chemical reactivity of a molecule, the physical properties, and to a large extent, structure and geometry, are all functions of the electron distribution. This study examines the issue of electronic structure from two points of view, each of them focussing on a specific component within the molecules studied. In the present work, the effects of the highly polar carbonyl group on spectroscopic parameters and physical behavior are investigated. An additional area of study is the effect of fluorine substitution on the energy levels of some halogenated ethylenes. The specific parameters examined are the ionization potentials, the absorption frequencies, and the energies of a class of excited states known as molecular Rydberg states. It was during the study of these halogenated ethylenes that the observations leading to the carbonyl compound investigations were made, so that the two areas examined are connected both experimentally and chemically.

Grâce à l’amélioration des performances des outils expérimentaux et numériques, la mécanique des matériaux peut explorer des échelles de plus en plus fines. Une meilleure compréhension, voire une prédiction, des phénomènes locaux mis en jeu est alors espérée. Cette thèse s’intéresse à la plus petite échelle impliquée dans le comportement mécanique des matériaux, c.-à-d. les interactions entre noyaux dues au comportement des électrons, et notamment des électrons de valence. L’originalité de ce travail est dans la mise en place des éléments finis comme outil numérique de résolution de ce problème. Cette approche largement utilisée dans le domaine de la mécanique des structures fournit de puissants outils numériques permettant de résoudre le problème électronique. Des modèles de Hartree-Fock et post-Hatree-Fock sont implémentés, et les caractéristiques mécaniques des structures électroniques sont estimées. Ces résultats reposent sur de nombreuses approximations dues aussi bien à la modélisation qu’aux approximations numériques. Des estimateurs d’erreur sont développés pour analyser les résultats. / Since performances of experimental and numerical tools have been largely improved, mechanics of materials can explore smaller and smaller scales. Thus, a better comprehension, or even a prediction, of local phenomena associated with macroscopic deformations are hoped. This dissertation focuses on the smallest scale involved in mechanical behavior of materials, i.e. interactions between nuclei due to electrons behavior and especially to valence electrons. The originality of this work is setting up the finite element method as numerical tool to solve this problem. This approach largely used to solve structural mechanics problems provides powerful numerical tools to tackle electronic structures. The Hartree-Fock and post-Hartree-Fock models are employed, and mechanical properties of electronic structures are estimated. These estimates are based on a set of approximations of both model and numerical origins. Error estimates are proposed to analyze the accuracy of the results.

Neste trabalho realizamos o cálculo da estrutura eletrônica de poços quânticos com dopagem seletiva, usando um método k-p com 8 bandas. Utilizamos um processo de bloco-diagonalização para reduzir o Hamiltoniano 8x8 a dois blocos 4x4 a fim de diminuir o esforço computacional. Calculamos o efeito do potencial auto-consistente sobre a massa dos portadores e sobre as densidades de estado. Os resultados obtidos para as energias de excitação de uma partícula estão em pleno acordo com os dados obtidos em experimentos de absorção óptica intra-banda (espalhamento Raman ressonante) / In this work we developed a calculation of the electronic structure of modulation doped quantum wells using a k-p method with 8 bands. We have used a procedure which block-diagonalizes this 8x8 Hamiltonian into two 4x4 blocks to reduce the computacional effort. We have calculated the effect of the self-consistent potential on the effective mass of carriers and on the densities of states. The results obtained for one-particle excitations are in complete agreement with intra-band optic absorptions experiments (resonant Raman scattering)

Catalysts based on the first-row (3d) transition metals are commonly seen in chemical and biological reactions. To understand the role of the transition metal in the catalyst, the element specific technique core level spectroscopy is used to probe the electronic structure and geometric properties centered around the metal site. Different types of X-ray spectra can be applied to probe the metal 3d character orbitals involved in reactions, which make it possible to identify and characterize the reactive sites of samples in different forms. A detailed interpretation and understanding of the different X-ray spectra requires a unified method which can be used to model different types of X-ray spectra, e.g., soft and hard X-rays. In this thesis, theoretical investigations of the electronic structures of 3d transition metal complexes through X-ray spectroscopy are presented. The restricted active space method (RAS) is used to successfully reproduce different types of X-ray spectra by including all important spectral effects: multiplet structures, spin-orbit coupling, charge-transfer excitations, ligand field splitting and 3d-4p orbital hybridization. Different prototypes of molecules are adopted to test the applicability of the RAS theory. The metal L edge X-ray absorption (XAS) spectra of low spin complexes [Fe(CN)6]n and [Fe(P)(ImH)2]n in ferrous and ferric oxidation state are discussed. The RAS calculations on iron L edge spectra of these comparing complexes have been performed to fingerprint the oxidation states of metal ion, and different ligand environments. The Fe(P) system has several low-lying spin states in the ground state, which is used as a model to identify unknown species by their spectroscopic fingerprints through RAS spectra simulations. To pave the route of understanding the electronic structure of oxygen evolution complex of Mn4CaO5 cluster, the MnII(acac)2 and MnIII(acac)3 are adopted as prototypical Mn-complexes. The 3d partial fluorescence yield-XAS are employed on the Mn L-edge in solution. Combining experiments and RAS calculations, primary questions related to the oxidation state and spin state are discussed. The first application to simulate the metal K pre-edge XAS of mono-iron complexes and iron dimer using RAS method beyond the electric dipole is completed by implementing the approximate origin independent calculations for the intensities. The K pre-edge spectrum of centrosymmetric complex [FeCl6]n– ferrous state is discussed as s and a donor model systems. The intensity of the K pre-edge increases significantly if the centrosymmetric environment is broken, e:g:, when going from a six-coordinate to the four-coordinate site in [FeCl4]n. Distortions from centrosymmetry allow for 3d-4p orbital hybridization, which gives rise to electric dipole-allowed transitions in the K pre-edge region. In order to deliver ample electronic structure details with high resolution in the hard X-ray energy range, the two-photon 1s2p resonant inelastic X-ray scattering process is employed. Upon the above successful applications of one-photon iron L edge and K pre-edge spectra, the RAS method is extended to simulate and interpret the 1s2p resonant inelastic X-ray scattering spectra of [Fe(CN)6]n in ferrous and ferric oxidation states. The RAS applications on X-ray simulations are not restricted to the presented spectra in the thesis, it can be applied to the photon process of interest by including the corresponding core and valence orbitals of the sample.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18982号 / 工博第4024号 / 新制||工||1620(附属図書館) / 31933 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 酒井 明, 教授 邑瀬 邦明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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The commercialization of lithium-ion batteries has played a pivotal role in the development of consumer electronics and electric vehicles. In recent years, much research has focused on the development and modification of the active materials of electrodes to obtain higher energies for a broader range of applications. High voltage spinel materials including LiNi_0.5Mn_1.5O_4-δ (LNMO) have been considered as promising cathode materials to address the increasing demands for improved battery performance due to their high operating potential, high energy density, and stable cycling lifetimes. In an effort to elucidate fundamental structure-property relationships, this thesis explores the tunable properties of single-crystal LNMO. Utilizing facile molten salt synthesis methods, the structural and electronic properties of LNMO can be well controlled. Chapter 2 of this thesis focuses on uncovering the effect of molten salt synthesis parameters including molten salt composition and synthetic temperature on the materials properties. A range of imaging, microscopic, and spectroscopic techniques are used to characterize structural and electronic properties which are investigated in tandem with electrochemical performance. Results indicate the Mn oxidation state is highly dependent on synthesis temperature and can dictate performance, while the molten salt composition strongly influences the particle morphology. In Chapter 3, we explore the concept of utilizing LNMO as a tunable support for heterogeneous metal nanocatalysts, where alteration of the support structure and electronics can have an influence on catalytic properties due to unique support effects. Ultimately, this work illustrates the tunable nature of single-crystal LNMO and can inform the rational design of LNMO materials for energy applications. / M.S. / The development of lithium-ion batteries has been fundamental to the expansion and prevalence of consumer electronics and electric vehicles in the twenty-first century. Despite their ubiquity, there is an ongoing drive by researchers to address the limitations and improve the quality and performance of lithium ion batteries. Much research has focused on altering the composition, structure, or properties of electrodes at the materials level to design higher achieving batteries. A fundamental understanding of how composition and structure effect battery performance is necessary to progress toward better materials. This thesis focuses on investigating the properties of LiNi_0.5Mn_1.5O_4-δ (LNMO). LNMO material is considered a promising cathode material to meet the increasing consumer demands for improved battery performance. Through the synthesis methods, the shape of individual particles and the global electronic properties of LNMO can be tuned. In this work, specific synthesis parameters are systematically tuned and the properties of the resultant LNMO materials are explored. Electrochemical testing also evaluates the performance of the materials and offers insights into how they may fair in real battery systems. In an effort to potentially recycle spent battery materials, LNMO is also utilized as a catalyst support. Alteration of shape and electronic properties of the LNMO support can influence the catalytic properties, or the ability of the material to enhance the rate of a chemical reaction. Overall, this thesis explores how LNMO can be tuned and utilized for different applications. This work provides insights for understanding LNMO properties and direction for the development of future battery materials.

Structurally precision graphene nanoribbons (GNRs) have attracted great interest considering their prospective applications as organic carbon materials for nanoelectronics. The electronic properties of GNRs not only critically depend on the edge structure and width but also on the heteroatom type, doping position, and concentration. Motivated by the recent undisputable progress in the synthesis of stable boron-doped polycyclic aromatic hydrocarbons (B-PAHs), considerable efforts have been devoted to the precision synthesis of the corresponding boron-doped GNRs (B-GNRs) via bottom-up synthesis approach in recent years in view of the extraordinary ability of boron doping on modulating their physiochemical properties. In this review, an overview of the bottom-up organic synthesis of B-GNRs, including the precursor design and synthesis, structure characterization of the resulting B-GNRs, and investigation of their electronic properties is provided. Moreover, the future challenges and perspectives regarding the bottom-up synthesis of B-GNRs are also discussed. The authors hope that this review will further stimulate the synthesis and device integrations of B-GNRs with a combined effort from different disciplines.

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

Ces dernières années, les oxydes de métaux de transition ont suscité de grands intérêts du point de vue fondamental et technologique. A cet égard, nous nous concentrons sur deux types d'oxydes : le première, le Perovskite double Pb2FeMoO6, avec un potentiel d'application sur des appareils magnétorésistances et spintroniques ; le deuxième, la zircone ZrO2 avec de excellentes propriétés mécaniques et diélectriques pour être utilisée dans les domaines de matériaux structuraux et fonctionnels. Dans la présente étude, nous utilisons la méthode ab-initio (first-principles calculation) pour étudier les détails des orbites décomposés des structures électroniques et des propriétés magnétiques du Pb2FeMoO6 massif de structure parfaite, massif avec des défauts et en structure de plaque. En même temps, les détails des orbites décomposés des structures électroniques, les propriétés mécaniques, dynamiques et diélectriques de six phases de la ZrO2 (cubique, tétragonale, monoclinique, orthorhombique I (Pbca), orthorhombique II (Pnma) et (Pca21)) ont également été étudiés. D'abord nous allons faire les calculs ab-initio sur les propriétés structurales, électroniques et magnétiques de double pérovskite Pb2FeMoO6 massif avec structure parfaite, massif avec défauts et en structure de plaque. La densité des états orbitaux décomposés montre le champ cristallin octaédrique des six atomes d'oxygène autour de métal de transition (des Fe ou des Mo) et divise les cinq états dégénérés des atomes libres de Fe ou Mo dans un états triplement dégénéré t2g (dxy, dyz et dzx) avec une énergie plus faible et dans un états doublement dégénéré eg (dz2 et dx2-y2) avec une énergie plus élevée. La nature semi-métalliques et les propriétés de transport complètes (100%) de spin de polarisation de Pb2FeMoO6 massif et en structures de plaque reflètent un grand potentiel d’application dans les dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques. Le caractère semi-métallique est maintenu pour le composé Pb2FeMoO6 désordonné contenant d’antisites Fe(Mo), de lacunes de VFe, VO ou VPb, alors qu'il disparaît quand les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo sont présents même la concentration de défauts est réduite jusqu'à C = 6,25%. Ainsi, les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo doivent être évités afin de préserver le caractère semi-métallique du composé Pb2FeMoO6 et donc être utilisables dans des dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques.Ensuite, basé sur la rigidité élastique constantes individuelle calculée Cij de six phases de ZrO2, les propriétés élastiques et mécaniques des agrégats polycristallins ont été prédits. Nous avons donc examiné le caractère isolant de la phase cubique/tétragonale de ZrO2 sous forme film avec différentes combinaisons et différentes épaisseurs possibles dans des plans avec des faibles indices de Miller [(001), (110) et (111)] (pour la phase cubique) et [(001), (100), (110), (101) et (111)] pour la phase tétragonale. Il se trouve que pour les différentes combinaisons et épaisseurs possibles dans ces trois / cinq plans avec faibles indices de Miller, seulement ZrO2-terminé sous forme d’un film orienté dans le plan (110)/(100) et O-terminé sous forme d’un film orienté (111)/(101) des phases cubique/tétragonale de ZrO2 maintiennent le caractère isolant même les épaisseurs d’empilement est réduit jusqu'à deux et trois couches atomiques. Puisque cubique et tétragonale ZrO2 ont grande anisotropie élastique, comme un exemple, le stress et l'énergie de déformation densité ont été calculées pour tous {hkl} -oriented grains d'un film ZrO2 cubique polycristallin. / Transition-metal oxides have attracted exceptional research interest in recent years from both fundamental and technological perspectives. In this respect, we focus on two types of oxides, first, the double perovskite, Pb2FeMoO6 for a potential magnetoresistive and spintronics device application, second, zirconia ZrO2 with great mechanical and dielectric properties can be widely used in both structural and functional material fields. In this thesis we use first-principles calculations (ab-initio) to study systematically the detailed orbital-decomposed electronic structures and magnetic properties of Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The detailed orbital-decomposed electronic structures, the mechanical, dynamical and dielectric properties of the ZrO2 in six phases (cubic, tetragonal, monoclinic, orthoI (Pbca), orthoII (Pnma) and (Pca21)) have also been studied.Firstly, considering the comparable ionic radius of Pb2+ (1.49Å) with that of Sr2+ (1.44Å), we propose for the first time to substitute Sr2+ ion with Pb2+ ion in Sr2FeMoO6 and a detailed study has been performed on the Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The half-metallic nature and a complete (100%) spin-polarized transport properties reflect the bulk and especially slab Pb2FeMoO6 a potential application in magnetoresistive and spintronics devices; The detailed orbital-decomposed density of states show the octahedral crystal-field of the six oxygen atoms around transition-metal Fe or Mo atoms splits the five-fold degenerate states of the free Fe or Mo atoms into triply degenerate t2g (dxy, dyz and dzx) states with lower energy and doubly degenerate eg (dz2 and dx2-y2) states with higher energy, which cannot be observed in previous partial density of states ( ); The Fe3+ and Mo5+ ions are in the (3d5, s=5/2) and (4d1, s=1/2) states with positive and negative magnetic moments respectively and thus antiferromagnetic coupling via oxygen between them; The half-metallic character is maintained for the disordered Pb2FeMoO6 compounds containing FeMo antisite, VFe, VO, or VPb vacancy, while it vanishes when MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy are presented even the defect concentration reduce down to C=6.25%. So the MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy defects have to be avoided in order to preserve the half-metallic character of the Pb2FeMoO6 compounds and thus usable in magnetoresistive and spintronics devices.Secondly, based on the calculated individual elastic stiffness constants Cij of six ZrO2 phases, the elastic and mechanical properties of the polycrystalline aggregates have been predicted. We further exam the insulating characters of the cubic/tetragonal ZrO2 slabs with various possible terminations and thicknesses within three [(001), (110) and (111)]/five [(001), (100), (110), (101) and (111)] lower index Miller planes. It is found for the first time that among various possible terminations and thicknesses within these three/five lower index Miller planes, only ZrO2-terminated slabs of the (110)/(100) Miller plane and O-terminated slabs of the (111)/(101) Miller plane of cubic/tetragonal ZrO2 maintain the insulating character and thus usable as a gate dielectric oxide in IC industry even the slab thicknesses reduce down to 2 and 3 atomic layers, respectively; Since cubic and tetragonal ZrO2 have larger elastic anisotropy, both stress and strain energy density have been calculated for all {hkl}-oriented grains of a cubic ZrO2 polycrystalline film as one example.