Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciencias Fisicas e Matematicas, Curso de Pós-Gradução em Físico-Química, Florianópolis, 1989 / Made available in DSpace on 2012-10-16T02:14:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T16:26:41Z : No. of bitstreams: 1 78934.pdf: 2064093 bytes, checksum: ed7df0938779d68a07d7dd5af232b5a5 (MD5) / A compreensão dos fenômenos associados às descargas elétricas em nitrogênio tem interesse crescente nos últimos anos, devido ao papel relevante desempenhado por este gás no tratamento de superfícies (por exemplo, nitretação do ferro), em lasers a gás (CO2 e CO) e na físico-química da alta atmosfera. No entanto, os processos físico-químicos que ocorrem nestas descargas ainda estão longe de serem completamente conhecidos. Em particular, no que se refere às populações dos estados eletrônicos superiores do nitrogênio, apenas no caso dos estados tripletos A3Su+, B3Pg e C3Pu se conhece razoavelmente a forma como estas dependem dos parâmetros da descarga. Igualmente, os mecanismos de ionização predominantes não são conhecidos. Nesse sentido o nosso trabalho consiste no estudo de descargas luminescentes em nitrogênio puro, a corrente contínua, no intervalo de pressões de 0,1 a 2,0 torr e correntes máximas de 50mA. Obtemos o módulo do campo elétrico axial na coluna positiva, bem como a evolução da intensidade das bandas às transições N2(C3Puu``=0 ® B3Pg,u` = 0) e N2+(B2Su+,u`` = 0 ® X2Sg+,u` = 0) com as diferentes condições de descarga. Determinamos também, a população relativa nos níveis vibracionais do estado eletrônico excitado N2(C3Pu). Realizamos então, o estudo cinético das espécies N2(C3Pu) e N2+(B2Su+), considerando principalmente processos de formação por impacto de elétrons, cujos coeficientes são obtidos com base no trabalho de Loureiro. Mostramos que no caso do estado N2(C3Pu), o principal mecanismo de formação é o impacto de elétrons nas moléculas N2(X1Sg+). Quanto ao estado N2+(B2Su+), a consideração de mecanismos puramente eletrônicos não conduz a resultados em acordo com os dados experimentais, sugerindo assim a necessidade da consideração, também, de mecanismos vibracionais.

Orientador: Maria Cristina dos Santos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T00:05:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaFilho_DemetrioAntonioda_D.pdf: 28770785 bytes, checksum: c9f74d1dd4cdfc99854ca7e12b20a56e (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: O objetivo desta tese é o de aplicar métodos de Química Quântica e de Mecânica Molecular a fim de entender dois fenômenos observados experimentalmente: a fluorescência dupla em 9-antril-oligotiofenos e a adsorção de moléculas orgânicas em uma superfície de grafite. No estudo da fluorescência dupla em 9-antril-oligotiofenos, utilizamos o método Hartree-Fock para otimizar a geometria do estado fundamental e o método semiempírico ZINDO/S para obter os espectros de absorção e as propriedades dos estados excitados. As geometrias dos estados excitados foram obtidas utilizamos o método CI-Singles. Os espectros de emissão foram então simulados, a partir da geometria dos estados excitados, novamente utilizando o método ZINDO/S. Os resultados teóricos obtidos para os espectros de absorção e emissão dos 9-antril-oligotiofe-nos concordam muito bem com a absorção experimental e a fluorescência no azul, apresentada por estes sistemas. Com os métodos utilizados chegamos a encontrar um estado excitado com características semelhantes às encontradas experimentalmente para a emissão no vermelho, mas a posição em energia não é compatível com o experimento. Para este problema, concluímos que a técnica CI-Singles, quando aplicada em conjunto com o método ZINDO/S, pode fornecer resultados precisos para o espectro de emissão. Com relação aos espectros de absorção, mais uma vez confirmamos, para as moléculas estudadas, a confiabili-dade da técnica Hartree-Fock combinada com o método ZINDO/S. A impossibilidade de levarmos em conta o solvente em nossos cálculos impediu-nos de avaliar o efeito deste em um estado excitado que, aparentemente, está conectado à emissão no vermelho mas, analisando os resul-tados obtidos com os métodos citados, pudemos excluir algumas possibilidades e sugerir quais mecanismos estão envolvidos nesta emissão. No estudo da absorção de moléculas orgânicas numa superfície de grafite, utilizamos o método de Monte Carlo para gerar configurações compatíveis com o ensemble NVT. As configurações foram analisadas utilizando parâmetros geométricos específicos para cada problema. Concluímos que esta simulação pode nos ajudar a entender os mecanismos de auto-montagem mas, para que tenhamos resultados confiáveis, precisamos encontrar parâmetros empíricos para o nosso potencial que melhor modelem o experimento, além de relaxarmos o vínculo de molécu-las rígidas, impostas nestas primeiras simulações / Abstract: This thesis was devoted to the application of methods of Quantum Chemistry and Molecular Mechanics to study two experimentally observed phenomena: the dual fluorescence of 9-anthryl-oligothiophenes and the adsorption of organic molecules in a graphite surface. The investigation of the dual fluorescence was carried out employing a combination of the-oretical techniques. Ground state geometries were optimized thought the Hartree-Fock method and the first excited state geometries were obtained thought the CI-Singles method. Absorption and emission spectra were then simulated using the semi-empirical ZINDO/S method, adopting the ground state conformation in the former and the excited state geometry in the later. The theoretical results for the absorption and emission spectra of 9-anthryl-oligothiophenes agree very well with the experimental absorption spectra and the blue component of the flu-orescence. We also found an excited state with similar characteristics to the one found from experiment, related to the emission in the red, but the position in energy is not compatible with the experiment. We concluded that the CI-Singles technique, when applied together with ZINDO/S method, can yield precise results for the emission spectra. The simulated absorption spectra were also in agreement with experiments, thus confirming the reliability of the combination of theoretical methods Hartree-Fock and ZINDO/S. The impossibility of including solvent effects in our calcu-lation hindered us from obtaining a good characterization of the excited state responsible for the red emission. However, the analysis of our results led to the exclusion of some mechanisms invoked to explain the red emission and allowed us to suggest more reliable mechanisms. In the study of the adsorption of organic molecules in a graphite surface, we used the Monte Carlo method to generate compatible configurations in the NVT ensemble. The configurations have been analyzed using specific geometric parameters for each problem. We concluded that this simulation can helpful in the understanding of the self-assembly mech-anisms. However, in order to improve the theoretical description of the adsorption, a better parametrization and the inclusion of terms in the classical potential to account for torsions are necessary / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Limitadores ópticos são dispositivos que apresentam alta transmitância para baixas intensidades de luz incidente e, inversamente, baixa transmitância para altas intensidades, sendo usados como protetores contra danos em sensores ópticos e olhos humanos. Com o objetivo de estudarmos novos materiais com mecanismos não lineares eficientes para o processo de limitação, bem como novas geometrias ópticas, apresentamos neste trabalho o desenvolvimento de um limitador óptico baseado na absorção saturada reversa de porfirinas e metaloporfirinas. Construímos também um dispositivo baseado na configuração óptica bifocal, usando porfirina como absorvedor saturável reverso. Além disso, obtivemos parâmetros espectroscópicos do estado excitado pelos ajustes teóricos das curvas de transmitância, através da resolução de equações de taxa. / Optical limiters are devices with a high transmittance in the presence of low intensity light, and a considerable lower transmittance otherwise, been used as protectors against damage in optical sensors and human eyes. Aiming at searching for new materials and optical geometries efficient for optical limiting. We report on the development of an optical limiter based on the reverse saturable absorption in porphyrin and metalioporphyrins. We also built a device-based .on a cascade focus configuration, using free base porphyrin as the absorber. Besides, we obtain the excited state spectroscopy parameters by the theoretical fitting of transmittance curves, by solving a set of rate equations.

Neste trabalho, métodos ab initio multiconfiguracionais de alto nível com extenso conjunto base e inclusão de correções relativísticas foram empregados para estudar vários sistemas diatômicos contendo metais de transição. As abordagens de Teoria de Pertur- bação de Segunda Ordem Multiconfiguracional (CASPT2) ou sua versão Multi-State (MS-CASPT2), baseadas em funções de onda do tipo Complete-Active-Space Self- Consistent-Field (CASSCF) foram utilizadas, com o conjunto base do tipo Orbitais Naturais contraídas em ambiente relativístico (ANO - RCC) com qualidade quádrupla- , para se estudar esses sistemas. Em relação aos dímeros de metais de transição homonucleares (Re2, Tc2, Ta2, Mo2 e W2), caracterizamos seu estado fundamental e diversos estados excitados através das curvas de energia potencial, constantes espectroscópicas e ordens de ligação efetiva. Todos os dímeros estudados por nós apresentam multiplicidades de ligação acima de quatro. Para esses sistemas também estudamos os efeitos do desdobramento causado pelo acoplamento spin-órbita com o intuito de determinar inequivocadamente a simetria do estado fundamental e, também, de auxiliar na interpretação dos espectros experimentais, quando existentes. Sobre as diatômicas formadas pela junção de um átomo de metal de transição e um elemento do grupo principal, enfocamos principalmente os nitretos e os boretos de metais de transição (CoN, MnN, TcN e RhB). Da mesma maneira, os sistemas foram descritos em termos de suas curvas de energia potencial e constantes espectroscópicas e foram comparadas com outros resultados teóricos e experimentais. Todas as moléculas estudadas nessa parte são caracterizadas por ligações triplas, com um par de elétrons sobre o átomo não metálico e os elétrons restantes localizados sobre o metal, acoplados de diferentes formas / In this work, high level ab initio multiconfigurational methods with extensive basis set and inclusion of relativistic e¤ects were employed to study several diatomic systems containing transition metals. The Multiconfiguration Second Order Perturbation Theory (CASPT2) or its Multi-State version (MS-CASPT2) approaches, based on Complete- Active-Space Self-Consistent-Field (CASSCF), were employed, with the Atomic Natural Orbital contracted in a relativistic environment (ANO-RCC) with quadruple- quality, in order to study these systems. In relation to the homonuclear dimers of transition metals atoms (Re2, Tc2, Ta2, Mo2, and W2), we have characterized their ground state and several excited states through potential energy curves, spectroscopic constants and e¤ective bond orders. All dimers we studied have the multiplicity of the chemical bond above four. To these kind of systems, we have also studied the splitting caused by spin-orbit coupling with the the aim of determine the symmetry of the ground state and help in the interpretation of the experimental spectras. About the diatomic formed by joining of a transition metal atom and an atom of the main group, we have focused, mainly, the transition metal nitrites and borides (CoN, MnN, TcN, and RhB) In the same way, these systems were described in terms of their potential energy curves, spectroscopic constants and wavefunctions and we have com- pared to other theoretical and experimental results. All molecules studied in this part were characterized as triple bonded, with a pair of electrons on the non–metalic center and the remaining electrons localized on the metal, coupled on di¤erent forms

Neste trabalho, utilizamos o desenvolvimento recente do método DFT/LDA-1/2 para cálculos de estados excitados em materiais. Começamos com um resumo da teoria do funcional da densidade (DFT) e incluímos uma introdução ao método LDA-1/2 para cálculos de excitações em sólidos. Na compilação dos resultados esperamos ter demonstrado a utilidade do LDA-1/2 para cálculos de alinhamentos de bandas em junções semicondutor/semicondutor e semicondutor/isolante. A aplicação do método envolve o conhecimento da química básica dos sistemas. Para tanto, escolhemos sistemas importantes para diversas aplicações, e cujos modelos de simulação estão o limite ou fora do alcance de metodologias que envolvem alto custo computacional, mas que foram bem caracterizados experimentalmente. Concentramos nossas ações no estudo da capacidade preditiva do LDA-1/2 para alinhamentos de bandas, os chamados band offsets, particularmente importantes para a micro e optoeletrônica. Quando não foi possível compararmos nossos resultados com o experimento, procuramos a comparação com métodos estado-da-arte como GW. Bons resultados foram obtidos para band gaps e band offsets de interfaces A1As/GaAs, Si/SiO2, A1N/GaN e CdSe/CdTe, que representam os diferentes tipos de jun_c~oes poss__veis, com (e.g. A1As/GaAs, A1N/GaN) e sem (e.g. Si/SiO2, CdSe/CdTe) ^anions omuns, com (e.g. A1As/GaAs) e sem (e.g. CdSe/CdTe, Si/SiO2) casamento de parâmetros de rede e diferentes tipos de alinhamentos (\"straddling\", e.g. A1As/GaAs ou \"staggered\"e.g. CdSe/CdTe). Analisamos de maneira sistemática o comportamento do entorno do bandgap ao longo da interface, verificando plano a plano atômico o comportamento das bordas de valência e condução com LDA-1/2 em comparação com o LDA, ou comparando diferentes modelos dentro do LDA-1/2, como o caso do CdSe/CdTe e do Si/SiO2. Para o caso A1As/GaAs, aproveitamos o casamento de parâmetros de rede dos semicondutores constituintes e tentamos um modelo de interface de ligas A1xGa1-x As/GaAs para estudar a variação de valência, condução e bandgap em função da composição x. No AlN/GaN, estudamos também os offsets com as contribuições dos orbitais separadamente. Em todos os casos o LDA-1/2 levou-nos a resultados interessantes com modelos simples. A exploração de novas fronteiras de aplicação do método fez-se necessária com a diminuição da dimensionalidade dos sistemas, de 3D (bulk ) para 2D (interfaces) e depois para 1D, ou seja, _os quânticos (\"nanofios\"). Nosso material de estudo para os foi o ZnO que, além da motivação oriunda de conhecidas aplicações em optoeletrônica, apresenta desafios para simulações bulk com qualquer método, e que foi abordado com certo sucesso usando o LDA-1/2 anteriormente, sendo que para fios quânticos encontramos resultados interessantes em geometrias triangulares que facilitaram os modelos. Calculamos o bandgap ZnO bulk e de nanofios passivados e não passivados com hidrogênios usando LDA e LDA-1/2 sem polarização de spin. As estruturas de bandas e o bandgap como função do diâmetro do ano_o foram calculados e ajustes com funções de decaimento foram feitos para comparação, por extrapolação, dos bandgaps com valores experimentais. Foi possível comparar nossos resultados de fios com o bulk, e predizer uma faixa de variaação de bandgaps que os experimentais podem encontrar para nanofios triangulares de ZnO. Também foi feita análise de energias de confinamento em fios quânticos de ZnO, comparando o LDA com LDA-1/2. Finalmente, mostramos os resultados de uma oportunidade de aplicação do método a um material com defeitos, recentemente descoberto e promissor, e com enorme mercado potencial em fotocatálise, o Ti1-O4N. Nosso trabalho envolveu a aplicação do LDA-1/2 a um problema muito desafiador, e.g. a geração de energia limpa, especificamente a separação da molécula de água para produção de hidrogênio. O desafio maior vem da dificuldade de predição de bandgaps teoricamente, em particular para sistemas grandes como é o caso de modelos atomísticos com defeitos, devido aos altos custos computacionais envolvidos. Tais dificuldades forçam os pesquisadores a usarem parâmetros ajustáveis ou métodos semi-empíricos, ou modelos simplificados demais para descrever precisamente resultados experimentais. Isto dificulta o estudo dos sistemas fotocatalíticos potencialmente eficientes e que não foram ainda caracterizados ou otimizados. O LDA-1/2 é aqui validado para esta classe de materiais, abrindo assim a oportunidade para estudar sistemas mais realísticos e complexos para cálculos ainda mais precisos, particularmente para geração de energia limpa. Em particular, modelamos o TiO2 na estrutura rutile com nitrogênio substitucional, cuja estrutura eletrônica é ainda debatida. Foi a primeira aplicação do LDA-1/2 a sistemas com algum tipo de defeito, com ótimos resultados para o novo sistema Ti1- _O4N com vacâncias de Ti. / In this work, we used the recent development of DFT/LDA-1/2 method for calculations of excited states in materials. We begin with a summary of the density functional theory (DFT) and included an introduction to the method LDA-1/2 for calculations of excitations in solids. In compiling the results we hope to have demonstrated the usefulness of the LDA-1/2 for calculating alignments of bands at junctions semiconductor / semiconductor and semiconductor / insulator. The method involves the knowledge of basic chemical systems. To do this we chose systems important for several applications, and simulation models which are the limit or beyond the reach of methodologies involving high computational cost, but have been well characterized experimentally. We focus our actions in the study of the predictive capability of the LDA-1/2 for alignments of bands, the band called offsets, particularly important for micro and optoelectronics. When it was not possible to compare our results with experiment, we compared the methods with state of the art as GW. Good results were obtained for band gaps and band offsets of interfaces A1As/GaAs, Si/SiO2, A1N/GaN and CdSe / CdTe, which represent the different types of jun_c poss__veis-tions, with (eg A1As/GaAs, A1N/GaN) and without (eg Si/SiO2, CdSe / CdTe) ^ omuns anions with (eg A1As/GaAs) and without (eg CdSe / CdTe, Si/SiO2) matching network parameters and different types of alignments (\"straddling\" eg A1As/GaAs or \"staggered\" eg CdSe / CdTe). Systematically analyze the behavior of the environment along the interface bandgap, plane by plane scanning behavior of the edges atomic valence and conduction with LDA-half in comparison with LDA, or comparing templates within the LDA-1 / 2, as the case of CdSe / CdTe and Si/SiO2. For the case A1As/GaAs, we take the marriage of network parameters of semiconductor components and try an interface model alloys A1xGa1-x As / GaAs to study the variation of valence, conduction and bandgap as a function of composition x. In the AlN / GaN, we also studied the offsets with the contributions of the orbitals separately. In all cases the LDA-half led us to interesting results from simple models. The exploration of new frontiers of the method was necessary to decrease the dimensionality of the systems, the 3D (bulk) for 2D (interfaces) and then to 1D, ie, quantum _os (\"nanowires\"). Our study material for the ZnO was that, apart from the motivation coming from known applications in optoelectronics, presents challenges for bulk simulations with any method, and that was addressed with some success using the LDA-half earlier, and for wireless find interesting results in quantum triangular geometries that facilitated models. We calculate the bandgap and bulk ZnO nanowires passivated and not passivated with hydrogen using LDA and LDA-1/2 without spin polarization. The bandgap structures and strips as a function of the diameter of ano_o adjustments are calculated and decay functions for comparison were made by extrapolation of the bandgaps with experimental values. It was possible to compare our results with the bulk of wires, and predict a range of bandgaps that variaação can find experimental triangular ZnO nanowires. It was also made analysis of energy confinement in ZnO quantum wires, comparing LDA with LDA-1/2. Finally, we show the results of an opportunity to apply the method to a material with defects, newly discovered and promising, and with huge market potential in photocatalysis, the Ti1-O4N. Our work involved the application of LDA-1/2 to a very challenging problem, eg the generation of clean energy, specifically the separation of the water molecule for hydrogen production. The main challenge has been the difficulty of predicting bandgaps theoretically, in particular for large systems such as the model atomistic defects because of the high computational costs involved. These difficulties force the researchers to use adjustable parameters or semi-empirical methods, or other simplified models to accurately describe experimental results. This complicates the study of potentially efficient photocatalytic systems which have not yet been characterized or optimized. The LDA-1/2 is here validated for this class of materials, thus opening the opportunity to study more realistic and complex systems for more accurate calculations, particularly for clean energy generation. In particular, we modeled the structure of TiO2 in the rutile with substitutional nitrogen, whose electronic structure is still debated. It was the first application of the LDA-1/2 systems with some kind of defect, with excellent results for the new system Ti1-_O4N with Ti vacancies.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T06:08:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 295362.pdf: 3020430 bytes, checksum: 285ef19fb9a1893587d0bb0a78fe60f6 (MD5) / Um método computacional que combina mecânica molecular e mecânica quântica dependente do tempo é usado para descrever a cinética dos estados excitados (MLCT) em complexos de metais de transição solvatados. O formalismo semiempírico desenvolvido é capaz de descrever a polarização induzida em acetonitrila líquida e água, em comparação com os momentos de dipolo das moléculas CH3CN e H2O em vácuo. A investigação dos processos de transferência eletrônica inter-ligantes (ILET) no estado MLCT revela que um regime aleatório de transferência de carga inter-ligantes é estabelecido em escala temporal de subpicosegundos, para ambos os solventes, em menos de 350 fs na acetonitrila e menos que 700 fs na solução aquosa. Os resultados das simulações dão suporte à observação experimental do decaimento da anisotropia de polarização óptica em subpicosegundos e que o elétron perde memória do ligante fotoexcitado em menos de um picosegundo. Dois tipos de cinética ILET foram observadas: um simétrico, no qual todos os ligantes são igualmente acoplados em pares, e um assimétrico, onde um par de ligantes é fortemente acoplado enquanto que outro é fracamente acoplado. Nós atribuímos o acoplamento assimétrico à fixação de moléculas do solvente nos ligantes bipiridina. Em ambos os casos, o íon Ru (II) tem pouca influência na dinâmica de transferência eletrônica inter-ligantes. Os efeitos das dinâmicas de solvatação aqui investigados e sua influência na cinética MLCT são causados 1) pela flutuação térmica do potencial dipolar coletivo de longo alcance de todas as moléculas polares do solvente e 2) pelo potencial de polarização eletrônica induzido, cujo efeito é observado dentro de dezenas de femtosegundos após o início da dinâmica quântica do estado excitado MLCT. Verificou-se também que é importante incluir a flutuação geométrica interna de moléculas grandes do solvente, como a CH3CN, para uma dinâmica eletrônica adequada. Finalmente, notou-se que os modos internos de vibração e torção da estrutura de coordenação do complexo são as principais forças motrizes para a dinâmica de transferência eletrônica inter-ligantes observada em nossas simulações para o [Ru(bpy)3]2+ em acetonitrila e água. Tais resultados são relevantes para a compreensão da dinâmica de processos de transferência eletrônica interfacial em semicondutores sensibilizados por corantes.

Neste trabalho, utilizamos o desenvolvimento recente do método DFT/LDA-1/2 para cálculos de estados excitados em materiais. Começamos com um resumo da teoria do funcional da densidade (DFT) e incluímos uma introdução ao método LDA-1/2 para cálculos de excitações em sólidos. Na compilação dos resultados esperamos ter demonstrado a utilidade do LDA-1/2 para cálculos de alinhamentos de bandas em junções semicondutor/semicondutor e semicondutor/isolante. A aplicação do método envolve o conhecimento da química básica dos sistemas. Para tanto, escolhemos sistemas importantes para diversas aplicações, e cujos modelos de simulação estão o limite ou fora do alcance de metodologias que envolvem alto custo computacional, mas que foram bem caracterizados experimentalmente. Concentramos nossas ações no estudo da capacidade preditiva do LDA-1/2 para alinhamentos de bandas, os chamados band offsets, particularmente importantes para a micro e optoeletrônica. Quando não foi possível compararmos nossos resultados com o experimento, procuramos a comparação com métodos estado-da-arte como GW. Bons resultados foram obtidos para band gaps e band offsets de interfaces A1As/GaAs, Si/SiO2, A1N/GaN e CdSe/CdTe, que representam os diferentes tipos de jun_c~oes poss__veis, com (e.g. A1As/GaAs, A1N/GaN) e sem (e.g. Si/SiO2, CdSe/CdTe) ^anions omuns, com (e.g. A1As/GaAs) e sem (e.g. CdSe/CdTe, Si/SiO2) casamento de parâmetros de rede e diferentes tipos de alinhamentos (\"straddling\", e.g. A1As/GaAs ou \"staggered\"e.g. CdSe/CdTe). Analisamos de maneira sistemática o comportamento do entorno do bandgap ao longo da interface, verificando plano a plano atômico o comportamento das bordas de valência e condução com LDA-1/2 em comparação com o LDA, ou comparando diferentes modelos dentro do LDA-1/2, como o caso do CdSe/CdTe e do Si/SiO2. Para o caso A1As/GaAs, aproveitamos o casamento de parâmetros de rede dos semicondutores constituintes e tentamos um modelo de interface de ligas A1xGa1-x As/GaAs para estudar a variação de valência, condução e bandgap em função da composição x. No AlN/GaN, estudamos também os offsets com as contribuições dos orbitais separadamente. Em todos os casos o LDA-1/2 levou-nos a resultados interessantes com modelos simples. A exploração de novas fronteiras de aplicação do método fez-se necessária com a diminuição da dimensionalidade dos sistemas, de 3D (bulk ) para 2D (interfaces) e depois para 1D, ou seja, _os quânticos (\"nanofios\"). Nosso material de estudo para os foi o ZnO que, além da motivação oriunda de conhecidas aplicações em optoeletrônica, apresenta desafios para simulações bulk com qualquer método, e que foi abordado com certo sucesso usando o LDA-1/2 anteriormente, sendo que para fios quânticos encontramos resultados interessantes em geometrias triangulares que facilitaram os modelos. Calculamos o bandgap ZnO bulk e de nanofios passivados e não passivados com hidrogênios usando LDA e LDA-1/2 sem polarização de spin. As estruturas de bandas e o bandgap como função do diâmetro do ano_o foram calculados e ajustes com funções de decaimento foram feitos para comparação, por extrapolação, dos bandgaps com valores experimentais. Foi possível comparar nossos resultados de fios com o bulk, e predizer uma faixa de variaação de bandgaps que os experimentais podem encontrar para nanofios triangulares de ZnO. Também foi feita análise de energias de confinamento em fios quânticos de ZnO, comparando o LDA com LDA-1/2. Finalmente, mostramos os resultados de uma oportunidade de aplicação do método a um material com defeitos, recentemente descoberto e promissor, e com enorme mercado potencial em fotocatálise, o Ti1-O4N. Nosso trabalho envolveu a aplicação do LDA-1/2 a um problema muito desafiador, e.g. a geração de energia limpa, especificamente a separação da molécula de água para produção de hidrogênio. O desafio maior vem da dificuldade de predição de bandgaps teoricamente, em particular para sistemas grandes como é o caso de modelos atomísticos com defeitos, devido aos altos custos computacionais envolvidos. Tais dificuldades forçam os pesquisadores a usarem parâmetros ajustáveis ou métodos semi-empíricos, ou modelos simplificados demais para descrever precisamente resultados experimentais. Isto dificulta o estudo dos sistemas fotocatalíticos potencialmente eficientes e que não foram ainda caracterizados ou otimizados. O LDA-1/2 é aqui validado para esta classe de materiais, abrindo assim a oportunidade para estudar sistemas mais realísticos e complexos para cálculos ainda mais precisos, particularmente para geração de energia limpa. Em particular, modelamos o TiO2 na estrutura rutile com nitrogênio substitucional, cuja estrutura eletrônica é ainda debatida. Foi a primeira aplicação do LDA-1/2 a sistemas com algum tipo de defeito, com ótimos resultados para o novo sistema Ti1- _O4N com vacâncias de Ti. / In this work, we used the recent development of DFT/LDA-1/2 method for calculations of excited states in materials. We begin with a summary of the density functional theory (DFT) and included an introduction to the method LDA-1/2 for calculations of excitations in solids. In compiling the results we hope to have demonstrated the usefulness of the LDA-1/2 for calculating alignments of bands at junctions semiconductor / semiconductor and semiconductor / insulator. The method involves the knowledge of basic chemical systems. To do this we chose systems important for several applications, and simulation models which are the limit or beyond the reach of methodologies involving high computational cost, but have been well characterized experimentally. We focus our actions in the study of the predictive capability of the LDA-1/2 for alignments of bands, the band called offsets, particularly important for micro and optoelectronics. When it was not possible to compare our results with experiment, we compared the methods with state of the art as GW. Good results were obtained for band gaps and band offsets of interfaces A1As/GaAs, Si/SiO2, A1N/GaN and CdSe / CdTe, which represent the different types of jun_c poss__veis-tions, with (eg A1As/GaAs, A1N/GaN) and without (eg Si/SiO2, CdSe / CdTe) ^ omuns anions with (eg A1As/GaAs) and without (eg CdSe / CdTe, Si/SiO2) matching network parameters and different types of alignments (\"straddling\" eg A1As/GaAs or \"staggered\" eg CdSe / CdTe). Systematically analyze the behavior of the environment along the interface bandgap, plane by plane scanning behavior of the edges atomic valence and conduction with LDA-half in comparison with LDA, or comparing templates within the LDA-1 / 2, as the case of CdSe / CdTe and Si/SiO2. For the case A1As/GaAs, we take the marriage of network parameters of semiconductor components and try an interface model alloys A1xGa1-x As / GaAs to study the variation of valence, conduction and bandgap as a function of composition x. In the AlN / GaN, we also studied the offsets with the contributions of the orbitals separately. In all cases the LDA-half led us to interesting results from simple models. The exploration of new frontiers of the method was necessary to decrease the dimensionality of the systems, the 3D (bulk) for 2D (interfaces) and then to 1D, ie, quantum _os (\"nanowires\"). Our study material for the ZnO was that, apart from the motivation coming from known applications in optoelectronics, presents challenges for bulk simulations with any method, and that was addressed with some success using the LDA-half earlier, and for wireless find interesting results in quantum triangular geometries that facilitated models. We calculate the bandgap and bulk ZnO nanowires passivated and not passivated with hydrogen using LDA and LDA-1/2 without spin polarization. The bandgap structures and strips as a function of the diameter of ano_o adjustments are calculated and decay functions for comparison were made by extrapolation of the bandgaps with experimental values. It was possible to compare our results with the bulk of wires, and predict a range of bandgaps that variaação can find experimental triangular ZnO nanowires. It was also made analysis of energy confinement in ZnO quantum wires, comparing LDA with LDA-1/2. Finally, we show the results of an opportunity to apply the method to a material with defects, newly discovered and promising, and with huge market potential in photocatalysis, the Ti1-O4N. Our work involved the application of LDA-1/2 to a very challenging problem, eg the generation of clean energy, specifically the separation of the water molecule for hydrogen production. The main challenge has been the difficulty of predicting bandgaps theoretically, in particular for large systems such as the model atomistic defects because of the high computational costs involved. These difficulties force the researchers to use adjustable parameters or semi-empirical methods, or other simplified models to accurately describe experimental results. This complicates the study of potentially efficient photocatalytic systems which have not yet been characterized or optimized. The LDA-1/2 is here validated for this class of materials, thus opening the opportunity to study more realistic and complex systems for more accurate calculations, particularly for clean energy generation. In particular, we modeled the structure of TiO2 in the rutile with substitutional nitrogen, whose electronic structure is still debated. It was the first application of the LDA-1/2 systems with some kind of defect, with excellent results for the new system Ti1-_O4N with Ti vacancies.

Limitadores ópticos são dispositivos que apresentam alta transmitância para baixas intensidades de luz incidente e, inversamente, baixa transmitância para altas intensidades, sendo usados como protetores contra danos em sensores ópticos e olhos humanos. Com o objetivo de estudarmos novos materiais com mecanismos não lineares eficientes para o processo de limitação, bem como novas geometrias ópticas, apresentamos neste trabalho o desenvolvimento de um limitador óptico baseado na absorção saturada reversa de porfirinas e metaloporfirinas. Construímos também um dispositivo baseado na configuração óptica bifocal, usando porfirina como absorvedor saturável reverso. Além disso, obtivemos parâmetros espectroscópicos do estado excitado pelos ajustes teóricos das curvas de transmitância, através da resolução de equações de taxa. / Optical limiters are devices with a high transmittance in the presence of low intensity light, and a considerable lower transmittance otherwise, been used as protectors against damage in optical sensors and human eyes. Aiming at searching for new materials and optical geometries efficient for optical limiting. We report on the development of an optical limiter based on the reverse saturable absorption in porphyrin and metalioporphyrins. We also built a device-based .on a cascade focus configuration, using free base porphyrin as the absorber. Besides, we obtain the excited state spectroscopy parameters by the theoretical fitting of transmittance curves, by solving a set of rate equations.

Neste trabalho, métodos ab initio multiconfiguracionais de alto nível com extenso conjunto base e inclusão de correções relativísticas foram empregados para estudar vários sistemas diatômicos contendo metais de transição. As abordagens de Teoria de Pertur- bação de Segunda Ordem Multiconfiguracional (CASPT2) ou sua versão Multi-State (MS-CASPT2), baseadas em funções de onda do tipo Complete-Active-Space Self- Consistent-Field (CASSCF) foram utilizadas, com o conjunto base do tipo Orbitais Naturais contraídas em ambiente relativístico (ANO - RCC) com qualidade quádrupla- , para se estudar esses sistemas. Em relação aos dímeros de metais de transição homonucleares (Re2, Tc2, Ta2, Mo2 e W2), caracterizamos seu estado fundamental e diversos estados excitados através das curvas de energia potencial, constantes espectroscópicas e ordens de ligação efetiva. Todos os dímeros estudados por nós apresentam multiplicidades de ligação acima de quatro. Para esses sistemas também estudamos os efeitos do desdobramento causado pelo acoplamento spin-órbita com o intuito de determinar inequivocadamente a simetria do estado fundamental e, também, de auxiliar na interpretação dos espectros experimentais, quando existentes. Sobre as diatômicas formadas pela junção de um átomo de metal de transição e um elemento do grupo principal, enfocamos principalmente os nitretos e os boretos de metais de transição (CoN, MnN, TcN e RhB). Da mesma maneira, os sistemas foram descritos em termos de suas curvas de energia potencial e constantes espectroscópicas e foram comparadas com outros resultados teóricos e experimentais. Todas as moléculas estudadas nessa parte são caracterizadas por ligações triplas, com um par de elétrons sobre o átomo não metálico e os elétrons restantes localizados sobre o metal, acoplados de diferentes formas / In this work, high level ab initio multiconfigurational methods with extensive basis set and inclusion of relativistic e¤ects were employed to study several diatomic systems containing transition metals. The Multiconfiguration Second Order Perturbation Theory (CASPT2) or its Multi-State version (MS-CASPT2) approaches, based on Complete- Active-Space Self-Consistent-Field (CASSCF), were employed, with the Atomic Natural Orbital contracted in a relativistic environment (ANO-RCC) with quadruple- quality, in order to study these systems. In relation to the homonuclear dimers of transition metals atoms (Re2, Tc2, Ta2, Mo2, and W2), we have characterized their ground state and several excited states through potential energy curves, spectroscopic constants and e¤ective bond orders. All dimers we studied have the multiplicity of the chemical bond above four. To these kind of systems, we have also studied the splitting caused by spin-orbit coupling with the the aim of determine the symmetry of the ground state and help in the interpretation of the experimental spectras. About the diatomic formed by joining of a transition metal atom and an atom of the main group, we have focused, mainly, the transition metal nitrites and borides (CoN, MnN, TcN, and RhB) In the same way, these systems were described in terms of their potential energy curves, spectroscopic constants and wavefunctions and we have com- pared to other theoretical and experimental results. All molecules studied in this part were characterized as triple bonded, with a pair of electrons on the non–metalic center and the remaining electrons localized on the metal, coupled on di¤erent forms

Neste trabalho, estudamos as características fotofísicas da porfirina mesotetrasulfonatofenil (TPPS4) em sua forma protonada e não protonada. Foi obtido o conjunto completo dos parâmetros fotofísicos de estados excitados da TPPS4 em solução aquosa e na presença de micelas do surfactante catiônico brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB). Os parâmetros obtidos foram: seções de choque do estado fundamental e dos excitados singleto e tripleto, tempos de vida dos estados excitados singleto e tripleto, taxas de decaimento radiativo, da conversão interna e do cruzamento intersistemas e rendimentos quânticos da fluorescência e do estado tripleto. Foram empregadas as técnicas ópticas lineares espectroscópicas de absorção UV/Vis, de fluorescência estática e resolvida no tempo, flash-fotólise e uma técnica óptica não linear Varredura-Z. Comparando os dados obtidos com os da literatura confirmamos que a técnica Varredura-Z em todos os regimes utilizados é confiável e útil para estudo das características dos estados excitados. Foi observado que a protonação afeta todos os parâmetros obtidos: aumenta todas as taxas da decaimento da energia de excitação, diminuindo assim os tempos de vida dos estados excitados, aumenta o rendimento quântico da fluorescência e diminui o do estado tripleto. Através de dois regimes da Varredura-Z: amplificação paramétrica (OPA) e de pulsos ultracurtos de luz branca (LB), foi obtido o espectro de absorção do estado singleto excitado na região de 460 a 800 nm. Foi observado que a forma da TPPS4 protonada possui uma alta absorção do estado singleto excitado na região de 460 a 620 nm. Analisando os resultados obtidos podemos concluir que a TPPS4 é um composto promissor para aplicação como limitador óptico na região espectral visível e como uma chave óptica, sendo que na forma não protonada ela será eficiente na escala de femto- a picossegundos, enquanto que na forma protonada na escala de femto- a nanossegundos. Na presença de micelas de CTAB os parâmetros obtidos estão próximos dos valores encontrados para porfirina não protonada e completamente diferente daqueles da forma protonada. Além disso, na aplicação da Varredura-Z em regime LB foi observado um efeito acumulativo, devido à dispersão temporal da luz branca (chirp). Este efeito é mais pronunciado para forma protonada, devido sua banda Q de absorção coincidir com a região de maior potência da luz branca. / In this work, we study photophysical characteristics of meso-tetrakis sulphonatophenyl porphyrin (TPPS4) in protonated and nonprotonated states. We obtained the whole set of photophysical parameters of TPPS4 excited states in homogeneous aqueous solution and in the presence of micelles from cationic detergent cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The parameters obtained were: ground and excited singlet and triplet states cross sections; intersystemcrossing, internal conversion and radiative rate constants; singlet and triplet states life times and fluorescence and triplet state quantum yields. The techniques employed were linear optical ones: UV/Vis absorption and fluorescence spectroscopies, time-resolved fluorescence, flash-photolysis, and nonlinear Z-scan. We have confirmed, comparing obtained date with those from literature, that Z-scan in all its applied regimes is reliable and useful to study the excited state characteristics. It was observed that protonation affects all TPPS4 photophysical parameters: increases all rate constants of the excited energy dissipation thus reducing the excited state lifetimes, increases the fluorescence quantum yield and reduces the triplet state quantum yield. The singlet excited state absorption spectrum was obtained in the 460-800 nm region, with two Z-scan regimes: optical parametric amplification - OPA with 120-140 fs pulses and white light ultrashort pulses. It was observed that the protonated TPPS4 form possesses intense absorption of its singlet excited state in the 460-620 nm region. Basing on the obtained date analysis we can conclude that TPPS4 is promising for application as optical limiters in the visible spectral range and optical switching: in its nonprotonated form it can be effective in the range from femto- up to picoseconds while in its protonated form in the range from femto- up to nanoseconds. In the presence of CTAB micelles the TPPS4 parameters were close to those found for its nonprotonated state and completely different from the values for the protonated one. Besides, we observed an accumulative effect due to white light time dispersion (chirp), which was more pronounced for the protonated state, since its Q absorption band coincided with white light high potency region.