Devido à inconfiabilidade do modelo EM-X?, no cálculo da energia total, consideramos uma correção na densidade de carga \"muffin-tin\". Com esta correção podemos ajustar a energia total, a partir de parâmetros definidos na teoria. O objetivo deste trabalho é o estudo da curva da energia total associada ao estado excitado do sistema GaAs: AsGa, quando o átomo substitucional de As se desloca na direção . Partindo de cálculos de primeiros princípios (LARGE UNIT CELL APPROACH), reproduzimos a curva da energia total do estado fundamental. A partir dos parâmetros encontrados na correção não \"muffin-tin\" da densidade de carga, calculamos a curva do estado excitado utilizando o conceito de estado de transição de Slater. Nossos resultados mostraram que o efeito Jahn-TeIler não ocorre para defeitos tipo antisítio. Vimos também que a curva do comportamento dos autovalores com o deslocamento do átomo substitucional, está de acordo com cálculos recentes encontrados na literatura. / Since total energy calculations within the Multiple Scattering-X? model are not reliable, a non \"muffin-tin\" correction to the charge density has been considered. With this correction the total energy can be adjusted through parameters defined in the theory. The aim of this work is to study the total energy curve of the excited state of the GaAs: AsGa system when the arsenic substitutional atom is displaced in the direction. As a first step, the ground-state total energy curve obtained from first-principles calculations (LARGE UNIT CELL APPROACH) was reproduced. From the parameters found for the non \"muffin-tin\" charge density corrections, we have calculated the excited-state total energy curve by using the Slater transition-state concept. Our results show that the Jahn-Teller effect is not expected to occur for antisite-like defects. Moreover, the obtained behavior of the eigenvalues with displacement of the substitutional atom is in fairly good agreement with recent theoretical calculations found in the literature.

Devido à inconfiabilidade do modelo EM-X?, no cálculo da energia total, consideramos uma correção na densidade de carga \"muffin-tin\". Com esta correção podemos ajustar a energia total, a partir de parâmetros definidos na teoria. O objetivo deste trabalho é o estudo da curva da energia total associada ao estado excitado do sistema GaAs: AsGa, quando o átomo substitucional de As se desloca na direção . Partindo de cálculos de primeiros princípios (LARGE UNIT CELL APPROACH), reproduzimos a curva da energia total do estado fundamental. A partir dos parâmetros encontrados na correção não \"muffin-tin\" da densidade de carga, calculamos a curva do estado excitado utilizando o conceito de estado de transição de Slater. Nossos resultados mostraram que o efeito Jahn-TeIler não ocorre para defeitos tipo antisítio. Vimos também que a curva do comportamento dos autovalores com o deslocamento do átomo substitucional, está de acordo com cálculos recentes encontrados na literatura. / Since total energy calculations within the Multiple Scattering-X? model are not reliable, a non \"muffin-tin\" correction to the charge density has been considered. With this correction the total energy can be adjusted through parameters defined in the theory. The aim of this work is to study the total energy curve of the excited state of the GaAs: AsGa system when the arsenic substitutional atom is displaced in the direction. As a first step, the ground-state total energy curve obtained from first-principles calculations (LARGE UNIT CELL APPROACH) was reproduced. From the parameters found for the non \"muffin-tin\" charge density corrections, we have calculated the excited-state total energy curve by using the Slater transition-state concept. Our results show that the Jahn-Teller effect is not expected to occur for antisite-like defects. Moreover, the obtained behavior of the eigenvalues with displacement of the substitutional atom is in fairly good agreement with recent theoretical calculations found in the literature.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-06-06T19:33:29Z No. of bitstreams: 1 EdvanMoreira.pdf: 4583939 bytes, checksum: 5ab3a481fd56c037eec7e3edec77e8b9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-06T19:33:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EdvanMoreira.pdf: 4583939 bytes, checksum: 5ab3a481fd56c037eec7e3edec77e8b9 (MD5) Previous issue date: 2008-03-31 / Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA) / From its discovery, the nanotubes of carbon are seen as material’s highly promising for a lot of applications. The combination of nanotubes of carbon with other molecules is the most general form of modifying their properties. New methods to control and to tune these properties are necessary for the developing of their potentials applications. The functionalization has been proposed as one of the processes capable to modify the optical properties of the nanotubes of carbon, through chemical reaction ”it is arrested”another molecule in the surface of the nanotube. However, another more elegant form of functionalization is through the encapsulation of molecules inside the nanotube. Recently, the encapsulation of the molecule of the beta-carotene experimentally in nanotubes of carbon was accomplished and changes were verified in the absorption spectrum. In this work we performed simulations of molecular dynamics using field of similar universal force to test the encapsulation of the beta-carotene, and calculations of Electronic Structure to verify charge transference. The obtained results of the molecular dynamics confirm that the encapsulation of the -carotene happens in the three cases studied experimentally by Yanagi and collaborators. / Desde sua descoberta, os nanotubos de carbono são vistos como um material altamente promissor para muitas aplicações. A combinação de nanotubos de carbono com outra molécula é a forma mais geral de se modificar suas propriedades. Novos métodos para controlar e sintonizar estas propriedades são necessários afim de se desenvolver suas potenciais aplicações. A funcionalização tem sido proposta como um dos processos capaz de se modificar as propriedades ópticas dos nanotubos de carbono, através de reação química ”prende-se”a outra molécula na superfície do nanotubo. Entretanto, uma outra forma mais elegante de funcionalização se dá através do encapsulamento de moléculas no interior do nanotubo. Recentemente, foi realizado experimentalmente o encapsulamento da molécula do beta-caroteno em nanotubos de carbono e foram constatadas mudanças no espectro de absorção. Neste trabalho realizamos simulações de dinâmica molecular usando campo de força universal afim de verificar se o encapsulamento do beta-caroteno ocorre, e cálculos de Estrutura Eletrônica para verificar se há ou não transferências de carga no sistema. Os resultados obtidos da dinâmica molecular confirmam que o encapsulamento do beta-caroteno ocorre nos 3 casos reportados experimentalmente por Yanagi e colaboradores.

Efeitos de solventes tem sido um tema de grande interesse científco. Em particular, o estudo dos efeitos de solventes no espectro eletrônico de absorção tem sua própria motivação e complexidade. Neste trabalho, nós estudamos os efeitos da solução aquosa na estabilidade conformacional e no espectro eletrônico de absorção da molécula Óxido Mesitil (OM). Essa molécula pertence a família das cetonas ,-insaturadas e, semelhantemente aos outros membros da família, ela apresenta transições eletrônicas sensíveis ao solvente. Inicialmente, estudamos os isômeros syn e anti do OM isoladamente usando cálculos quânticos para determinar a energia livre relativa, a barreira de rotação, os momentos de dipolo e as transições eletrônicas de absorção. Nosso melhor resultado mostra que o isômero syn do OM é a conformação mais estável, por cerca de 1.3 kcal/- mol calculado com nível MP2/aug-cc-pVDZ. Com o mesmo nível de cálculo, obtivemos os momentos de dipolo de 2.80 e 3.97 D para os isômeros syn e anti respectivamente, que estão em boa concordância com os valores experimentais de 2.8 e 3.7 D. Para o espectro eletrônico de absorção, analisamos a banda mais intensa, -*, com diferentes funcionais de densidade e funções base. Obtivemos o comprimento de transição de 229 nm calculado com nível TD-B3LYP/6-311++G** para o isômero syn em muito boa concordância com o valor experimental de 231 nm medido em solução de iso-octano (solvente de baixa polaridade). Para realizar os estudos em solução, geramos estruturas supermoleculares dos isômeros do OM em solução aquosa usando simulações computacionais com o método Monte Carlo. Usamos os potenciais Lennard-Jones e Coulomb para descrever as interações intermoleculares com os parâmetros do campo de força OPLS. Verifcamos que as cargas atômicas OPLS não descrevem bem o potencial eletrostático do OM. Portanto, realizamos um processo iterativo para incluir a polarização do soluto na presença do solvente para descrever melhor as interações entre o OM e as moléculas de água. Assim, obtivemos um aumento de cerca de 80% nos momentos de dipolo dos isômeros isolados. Adicionalmente, calculamos a energia livre relativa entre os isômeros em solução aquosa usando teoria de perturbação termodinâmica. Obtivemos que o isômero anti do OM é a conformação mais estável, por cerca de 2.8 kcal/mol. Examinando os efeitos de solvente no espectro eletrônico de absorção do OM, identificamos que existem duas contribuições competindo para o deslocamento da banda -*. Uma contribuição vem da mudança conformacional syn anti do OM devido a mudança de polaridade, baixa alta, do solvente. Essa mudança conformacional provoca um deslocamento para o azul de 1210 cm-1 na transição -*. A outra contribuição vem do efeito do solvente na estrutura eletrônica do OM, que provoca um deslocamento para o vermelho de - 4460 cm-1 nessa transição. Adicionando essas duas contribuições, temos o efeito do solvente total no espectro eletrônico de absorção do OM em solução aquosa. Nosso melhor resultado é um valor médio de 248 nm obtido com 75 cálculos TD-B3LYP/6-311++G** de estruturas supermoleculares estatisticamente descorrelacionadas compostas por um anti-OM rodeado por 14 moléculas de água explícitas embebidas no campo eletrostático de 236 moléculas de água tratadas como cargas pontuais simples. Esse resultado está em muito boa concordância com o resultado experimental de 243 nm em solução aquosa. Sendo assim, este trabalho demonstra que a mudança conformacional syn anti é essencial para entender o deslocamento espectral da transição -* do OM em água. / Solvent effects have been the subject of considerable scientifc interest. In particular, the study of solvent effects in electronic absorption spectroscopy has its own motivation and complexities. In this work we study the effects of the aqueous solution in the conformational stability and the electronic absorption spectrum of the Mesityl Oxide (OM) molecule. This molecule belongs to the family of the ,-unsaturated ketones and, like other members of the family, presents sensitivity to solvent in the absorption transitions. Initially we studied the isolated syn and anti isomers of OM by performing quantum mechanical calculations to obtain the relative free energy, the rotational barrier, the dipole moments and the electronic absorption transitions. Our best result showed that the OM syn isomer is the most stable conformer, by approximately 1.3 kcal/mol calculated with the MP2/aug-cc-pVDZ level. With the same level of calculation, we obtained the dipole moments of 2.80 and 3.97 D for the syn and anti isomers respectively, which are in good agreement with the experimental values of 2.8 and 3.7 D. For the electronic absorption spectrum, we analyzed the most intense band, -*, with different density functional and basis sets. We obtained a transition wavelength of 229 nm calculated with TD-B3LYP/6-311++G** level for the syn isomer in good agreement with the experimental value of 231 nm measured in iso-octane (solvent of low polarity). For performing the in-solution studies, we generated supermolecular structures of the OM isomers in aqueous solution using computer simulations with the Monte Carlo method. We used the Lennard-Jones and Coulomb potentials to describe the intermolecular interactions with the OPLS force field parameters. We found that the OPLS atomic charges do not describe well the electrostatic potential of OM. Therefore we performed an iterative process for including the solute polarization in the presence of the solvent to better describe the interactions between the OM and the water molecules. We obtained an increase of about 80% in the dipole moments of the isolated isomers. Additionally, we calculated the relative free energy between the isomers in aqueous solution using thermodynamic perturbation theory. We found that the anti isomer is the most stable conformer in aqueous solution, by about 2.8 kcal/mol. Examining the solvent effects in the electronic absorption spectrum of OM, we found that there are two competing contributions to the -* band shift. One contribution is due to the syn anti conformational change of OM caused by the low high polarity change of the solvent. This conformational change led to a blue shift of 1210 cm-1 in the * band. The remaining contribution is due to the solvent effect in the electronic structure of OM, which led to a red shift of -4460 cm-1. Adding these two contributions, we obtained the total solvent effect in the electronic absorption spectrum of OM in aqueous solution. Our best result was an average wavelength transition of 248 nm obtained using 75 TD-B3LYP/6-311++G** quantum calculations on statistically uncorrelated supermolecular structures composed by one anti-OM surrounded by 14 explicit water molecules in the electrostatic embedding composed of 236 water molecules described as simple point charges. This result is in very good agreement with the experimental result of 243 nm in aqueous solution. Thus, this work demonstrates that the syn anti conformational change is the essential ingredient to understand the spectral shift of the - * absorption transition of OM in water.

A termodinâmica computacional é uma ferramenta capaz de fornecer informações básicas sobre soluções e concentração de seus constituintes, em um dado sistema complexo a uma certa temperatura e pressão. Nos últimos anos, a união entre a teoria do funcional da densidade e a termodinâmica computacional tem renovado o estudo dos materiais intermetálicos ordenados, uma vez que os cálculos de estrutura eletrônica de primeiros princípios são hoje capazes de proporcionar resultados extremamente precisos para as energias de formação de compostos estequiométricos. Dentro deste contexto, investigamos os diagramas de fases dos sistemas Fe-Al, Mo- Fe, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al na estrutura cúbica de corpo centrado utilizando o método Full-Potential Linear Augmented Plane Waves(FP-LAPW) aliado ao Método Variacional de Clusters(CVM) na aproximação do tetraedro irregular. Através do método FP-LAPW determinamos a energia total de configurações cristalinas dos sistemas cúbicos de corpo centrado. Esses valores são utilizados como parâmetros de entrada do CVM para a determinação do potencial termodinâmico do sistema em suas diferentes fases e os correspondentes equilíbrios entre essas fases em função da composição e da temperatura (diagrama de fases). Embora o Fe-Al tenha grande interesse tecnológico, o seu comportamento magnético é bastante complicado. A inclusão de Cr na liga de Fe-Al tem um alto interesse industrial na utilização desta ligas em altas temperaturas, mas o banco de dados referentes as caracteristicas estruturais e eletrônicas são escassos. Neste contexto de aplicações procuramos investigar as características estruturais e eletrônicas buscando correlacionar as informações experimentais com as obtidas via cálculo de estrutura eletrônica e o CVM. / Thermodynamics is a computational tool capable of providing information basics solutions and concentrations of constituents in a given complex system at a given temperature and pressure. In recent years, the union between the density functional theory and computational thermodynamics has renewed study of ordered intermetallic materials, since the electronic structure calculations from first principles are now able to provide extremely accurate results for the energies of formation of stoichiometric compounds. in this context, we investigate the phase diagrams of the systems Fe-Al, Fe- Mo, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al in the body-centered cubic structure using the method Full-Potential Linear Augmented Plane Waves (FP-LAPW) ally the clusters variational method(CVM) in approximation of the tetrahedron irregular. Through the FP-LAPW method determines the total energy of the crystal with configurations body centered cubic systems. These values are used as input parameters of the CVM for the determination of the thermodynamic potential of the system in its different phases and the corresponding equilibrium between these phases as a function of composition and temperature (phase diagram). Although the Fe-Al has a great interest technology, its magnetic behavior is quite complicated. The inclusion of Cr in Fe-Al alloy has a high industrial interest in using this alloy in high temperatures, but the database regarding the structural characteristics and electronics are scarce. In this context we seek to investigate the application structural and electronic characteristics correlate the information seeking experiments with those obtained via the electronic structure calculation and the CVM.

Os resultados apresentados neste trabalho estão sistematizados em três partes. Em uma primeira etapa, efetuamos um estudo sistemático do comportamento da estrutura eletrônica em super-redes de deltas em função do período da super-rede e em função da concentração planar de dopantes. Uma nova abordagem, que se baseia no método celular e na solução autoconsistente das equações de Schroedinger e de Poisson, foi desenvolvida e aplicada para super-redes com dopagem planar tipo n em GaAs e em silício. Em ambos os casos, foi observada a transição de um comportamento eletrônico de caráter bi- para tridimensional conforme o período da super- rede diminui. No caso de super-redes de deltas de Si em GaAs foi empreendido o cálculo da energia de corte nos espectros de fotoluminescência de excitação. Uma boa concordância com as medidas experimentais foi obtida. O estudo da estrutura eletrônica para o caso de super-rede de deltas de Sb em Si foi pioneiro. Isto tornou os resultados de nossa investigação teórica de importância fundamental para experimentais e teóricos atuando na 6rea. A concordância entre nossas previsões teóricas e dados experimentais da literatura demonstram a consistência e o poder da abordagem desenvolvida. Em uma segunda etapa, foi efetuado o estudo da distribuição espacial do campo elétrico interno em heteroestruturas contendo camadas tipo \"bulk\", compostas por GaAs e (A1Ga)As. Uma nova abordagem foi desenvolvida para a execuqi3o de cálculos dos perfis de potencial eletrostático e de campo elétrico, sem assumir a ionização total dos dopantes e a não-degenerescência do material. Nosso método transforma a equação de Poisson em uma equação integral que deve ser resolvida autoconsistentemente. Os exemplos numéricos demonstram a aplicabilidade de nossa abordagem a sistemas reais. Perfis do campo elétrico calculados são usados para interpretar os espectros de fotorefletância. Em uma terceira etapa, a teoria geral da fotorefletância de heteroestruturas semicondutoras foi desenvolvida neste trabalho para tornar a interpretação de espectros de fotorefletância precisa e de aplicação eficiente. Um novo metodo de cdculo do coeficiente de reflexgo na presenga de inomogeneidade espacial da funggo dieletrica no interior de cada camada fmeceu um novo patamar de cornpreens20 dos espectros de fotorefletiincia. Este metodo e baseado na construgiio de uma matriz de transferhcia que iraclui as inomogeneidades no interior da camada de um mod0 integral. Portanto, para descrever uma camada de heteroestrutura e preciso ter apenas uma ma& de transferencia. 0s resultados de simulag6es numericas de espectros da fotoreflethcia estilo em uma concordhcia bastante boa com aqueles obtidos atravb de medidas opticas. A eficiencia de nosso metodo o torna aplicavel a simulag6es tip0 \"on-line\". 0s resultados dos metodos anteriores sgo reproduzidos como casos limites de nossa abordagem geral. / The results presented in this work can be displayed along the following three lines. In the first we performed a systematical study of the electronic structure behavior in delta superlattices as a function of superlattice period and sheet doping concentration. A new approach, based on the cellular method and on the selfconsistent solution of Schroedinger and Poisson equations, was developed and applied to superlattices with n-type delta doping in GaAs and silicon. In both cases, a transition from bi- to three- dimensional electronic behavior with the decrease of superlattice period was observed. For Si delta-doping superlattices in GaAs we performed calculations of the energy threshold in the photoluminescence excitation spectra. A good agreement with experimentally measured values was observed. Our investigation of the electronic structure of Sb delta-doping superlattices in Si was a pioneer theoretical study. Due to thls fact, the results of our work are of great importance for experimentalists and theoreticians acting in this area. The agreement between our theoretical predictions and the available experimental data demonstrates the consistency and the power of the developed approach. Along the second line we studied electric field spatial distribution inside of heterosinctures containing bulk layers of GaAs and (A1Ga)As. A new approach was developed to calculate the electrostatic potential and electric field profiles, providing the possibility to take .into account the incomplete ionization of impurities and the degeneracy of the materials. Our method transforms the Poisson equation into an integral equation, which must be solved selfconsistently. Numerical examples show the way to apply our approach to real systems. Internal electric field proiiles, calculated by means of our method are used to interpret photoreflectance spectra. In the third line, a general theory of photoreflectance for semiconductor heterostructures was developed in this work to make the interpretation of fotoreflectance spectra more precise and straightfornard. A new method to calculate the reflection coefficient in the presence of weak spatial inhomogenities of the dielectrical function inside each layer, provided us with a new degree of comprehension of the photoreflectance spectra. This method is based on the construction of a transfer matrix which includes the inhomogenities inside the layer in an integral way. This explains why we need only one matrix to describe one layer of the heterostructure. Results of our numerical simulations are in very good agreement with data of optical measurements. The efficiency of our method makes it suitable for on-line simulations. The results of previous methods emerge from our general approach as limit cases.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3834.pdf: 2869870 bytes, checksum: cda4c3f94950b35242f2e16dff60bd42 (MD5) Previous issue date: 2011-08-09 / Universidade Federal de Sao Carlos / The nanoscopic structures with ring topology, or quantum rings, have attracted the interest due to their unique rotational symmetry and the possibility of checking fundamental quantum phenomena. Among them, the study of Aharonov-Bohm interference effects appears with special emphasis. Analytical calculations of the electronic structure of quantum rings were performed for the electron confined in one-dimensional and threedimensional potentials. These calculations were complemented by the electronic structure simulation of the valence band using the k.p method, main objective this work. This theoretical contribution is a part of a collaboration with experimental groups of growth and spectroscopy which deal with problems related to the manipulation of electronic states and spin properties of quantum rings. The ground states of both electrons and holes in quantum dots (quasi-zero-dimensional systems) have zero angular momentum (in the absence of magnetic fields and low fields) and exhibit a diamagnetic response of the spin states in the presence of an external magnetic field. In non-magnetic quantum dots, the spin properties are mainly attributed to the electron spin and the heavy hole. On the other hand, it is assumed that the light holes have a minor role in the properties of the exciton ground state. Our results show that the interband coupling may lead to the angular momentum hybridization of the electronic states, even in the ground state and the the light hole may assume a relevant role. The adaptation and improvement of calculations of the electronic structure using the k.p methods were two of the main objectives of this work. The theoretical tools developed aim to contribute to the establishment of protocols for optimal use and application of such systems. / As estruturas nanoscópicas de topologia anelar, ou anéis quânticos, têm atraído o interesse devido a sua simetria rotacional única e à possibilidade de verificar fenômenos quânticos fundamentais. Dentre eles, o estudo de efeitos relacionados à interferência do tipo Aharonov-Bohm aparece com especial ênfase. Cálculos analíticos da estrutura eletrônica dos anéis quânticos foram realizados para os casos de um elétron confinado em um potencial unidimensional e tridimensional. Estes cálculos foram complementados com a simulação da estrutura eletrônica da banda de valência utilizando o método k.p, que é o objetivo principal do trabalho. Esta contribuição teórica forma parte de uma colaboração com grupos experimentais de crescimento e de espectroscopia onde são tratados problemas relacionados à manipulação de estados eletrônicos e de spin em sistemas quase-zero dimensionais de topologia anelar. O estado fundamental do elétron e do buraco em pontos quânticos (sistemas quase-zero-dimensionais) possui tipicamente momento angular zero (na ausência de campos magnéticos e para campos suficientemente baixos) e exibe uma resposta diamagnética dos estados desdobrados de spin uma vez que um campo magnético externo é aplicado. Nos pontos quânticos não magnéticos as propriedades de spin são fundamentalmente atribuídas aos elétrons e ao buraco pesado. Em contrapartida, se assume que os buracos leves possuem um papel menor nas propriedades do estado fundamental do éxciton. Nossos resultados mostram que o acoplamento entre bandas pode gerar estados com hibridização do momento angular, inclusive o estado fundamental e o papel do buraco leve acaba sendo relevante. A adaptação e melhoramento do cálculo da estrutura eletrônica utilizando métodos k.p foram dois dos objetivos fundamentais deste trabalho. As ferramentas teóricas desenvolvidas visam contribuir para o estabelecimento de protocolos para o uso e aplicação otimizada de tais sistemas.

Efeitos de solventes tem sido um tema de grande interesse científco. Em particular, o estudo dos efeitos de solventes no espectro eletrônico de absorção tem sua própria motivação e complexidade. Neste trabalho, nós estudamos os efeitos da solução aquosa na estabilidade conformacional e no espectro eletrônico de absorção da molécula Óxido Mesitil (OM). Essa molécula pertence a família das cetonas ,-insaturadas e, semelhantemente aos outros membros da família, ela apresenta transições eletrônicas sensíveis ao solvente. Inicialmente, estudamos os isômeros syn e anti do OM isoladamente usando cálculos quânticos para determinar a energia livre relativa, a barreira de rotação, os momentos de dipolo e as transições eletrônicas de absorção. Nosso melhor resultado mostra que o isômero syn do OM é a conformação mais estável, por cerca de 1.3 kcal/- mol calculado com nível MP2/aug-cc-pVDZ. Com o mesmo nível de cálculo, obtivemos os momentos de dipolo de 2.80 e 3.97 D para os isômeros syn e anti respectivamente, que estão em boa concordância com os valores experimentais de 2.8 e 3.7 D. Para o espectro eletrônico de absorção, analisamos a banda mais intensa, -*, com diferentes funcionais de densidade e funções base. Obtivemos o comprimento de transição de 229 nm calculado com nível TD-B3LYP/6-311++G** para o isômero syn em muito boa concordância com o valor experimental de 231 nm medido em solução de iso-octano (solvente de baixa polaridade). Para realizar os estudos em solução, geramos estruturas supermoleculares dos isômeros do OM em solução aquosa usando simulações computacionais com o método Monte Carlo. Usamos os potenciais Lennard-Jones e Coulomb para descrever as interações intermoleculares com os parâmetros do campo de força OPLS. Verifcamos que as cargas atômicas OPLS não descrevem bem o potencial eletrostático do OM. Portanto, realizamos um processo iterativo para incluir a polarização do soluto na presença do solvente para descrever melhor as interações entre o OM e as moléculas de água. Assim, obtivemos um aumento de cerca de 80% nos momentos de dipolo dos isômeros isolados. Adicionalmente, calculamos a energia livre relativa entre os isômeros em solução aquosa usando teoria de perturbação termodinâmica. Obtivemos que o isômero anti do OM é a conformação mais estável, por cerca de 2.8 kcal/mol. Examinando os efeitos de solvente no espectro eletrônico de absorção do OM, identificamos que existem duas contribuições competindo para o deslocamento da banda -*. Uma contribuição vem da mudança conformacional syn anti do OM devido a mudança de polaridade, baixa alta, do solvente. Essa mudança conformacional provoca um deslocamento para o azul de 1210 cm-1 na transição -*. A outra contribuição vem do efeito do solvente na estrutura eletrônica do OM, que provoca um deslocamento para o vermelho de - 4460 cm-1 nessa transição. Adicionando essas duas contribuições, temos o efeito do solvente total no espectro eletrônico de absorção do OM em solução aquosa. Nosso melhor resultado é um valor médio de 248 nm obtido com 75 cálculos TD-B3LYP/6-311++G** de estruturas supermoleculares estatisticamente descorrelacionadas compostas por um anti-OM rodeado por 14 moléculas de água explícitas embebidas no campo eletrostático de 236 moléculas de água tratadas como cargas pontuais simples. Esse resultado está em muito boa concordância com o resultado experimental de 243 nm em solução aquosa. Sendo assim, este trabalho demonstra que a mudança conformacional syn anti é essencial para entender o deslocamento espectral da transição -* do OM em água. / Solvent effects have been the subject of considerable scientifc interest. In particular, the study of solvent effects in electronic absorption spectroscopy has its own motivation and complexities. In this work we study the effects of the aqueous solution in the conformational stability and the electronic absorption spectrum of the Mesityl Oxide (OM) molecule. This molecule belongs to the family of the ,-unsaturated ketones and, like other members of the family, presents sensitivity to solvent in the absorption transitions. Initially we studied the isolated syn and anti isomers of OM by performing quantum mechanical calculations to obtain the relative free energy, the rotational barrier, the dipole moments and the electronic absorption transitions. Our best result showed that the OM syn isomer is the most stable conformer, by approximately 1.3 kcal/mol calculated with the MP2/aug-cc-pVDZ level. With the same level of calculation, we obtained the dipole moments of 2.80 and 3.97 D for the syn and anti isomers respectively, which are in good agreement with the experimental values of 2.8 and 3.7 D. For the electronic absorption spectrum, we analyzed the most intense band, -*, with different density functional and basis sets. We obtained a transition wavelength of 229 nm calculated with TD-B3LYP/6-311++G** level for the syn isomer in good agreement with the experimental value of 231 nm measured in iso-octane (solvent of low polarity). For performing the in-solution studies, we generated supermolecular structures of the OM isomers in aqueous solution using computer simulations with the Monte Carlo method. We used the Lennard-Jones and Coulomb potentials to describe the intermolecular interactions with the OPLS force field parameters. We found that the OPLS atomic charges do not describe well the electrostatic potential of OM. Therefore we performed an iterative process for including the solute polarization in the presence of the solvent to better describe the interactions between the OM and the water molecules. We obtained an increase of about 80% in the dipole moments of the isolated isomers. Additionally, we calculated the relative free energy between the isomers in aqueous solution using thermodynamic perturbation theory. We found that the anti isomer is the most stable conformer in aqueous solution, by about 2.8 kcal/mol. Examining the solvent effects in the electronic absorption spectrum of OM, we found that there are two competing contributions to the -* band shift. One contribution is due to the syn anti conformational change of OM caused by the low high polarity change of the solvent. This conformational change led to a blue shift of 1210 cm-1 in the * band. The remaining contribution is due to the solvent effect in the electronic structure of OM, which led to a red shift of -4460 cm-1. Adding these two contributions, we obtained the total solvent effect in the electronic absorption spectrum of OM in aqueous solution. Our best result was an average wavelength transition of 248 nm obtained using 75 TD-B3LYP/6-311++G** quantum calculations on statistically uncorrelated supermolecular structures composed by one anti-OM surrounded by 14 explicit water molecules in the electrostatic embedding composed of 236 water molecules described as simple point charges. This result is in very good agreement with the experimental result of 243 nm in aqueous solution. Thus, this work demonstrates that the syn anti conformational change is the essential ingredient to understand the spectral shift of the - * absorption transition of OM in water.

Desde sua descoberta por S. Iijima em 1991, os nanotubos de carbono têm sido considerados um dos materiais nanoestruturados mais promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em escala nanoscópica. Devido _a sua alta razão entre a área superficial e o volume, esse material se destaca para aplicações como sensores de gás. No presente trabalho, estudamos através de simulações computacionais, a possibilidade de nanotubos de carbono com defeitos de nitrogênio (os chamados nanotubos CNx), poderem ser usados como sensores de moléculas gasosas. Na primeira parte do trabalho foram realizados cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para diferentes sistemas formados pelo nanotubo e pela molécula. Através de cálculos de energia de ligação, foi possível identificar quais gases poderiam ou não serem adsorvidos à superfície do nanotubo. Dentre as moléculas investigadas, o monóxido de carbono e a amônia mostraram ser as mais facilmente adsorvidas ao nanotubo. Na segunda parte, foram realizados cálculos das propriedades de transporte utilizando o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) recursivo. Foi possível concluir que os nanotubos estudados poderiam ser usados para detectar o monóxido de carbono e a amônia. Todavia, em relação à seletividade, os resultados indicaram que não parece possível distinguir essas duas moléculas, caso o sistema fosse inserido em um ambiente contendo uma mistura desses gases. Ainda, foram feitas simulações de nanotubos contendo defeitos aleatoriamente distribuídos, de forma a levar em conta os fatores de desordem característicos de sistemas mais realistas. / Since their discovery by S. Iijima in 1991, carbon nanotubes have been considered as one of the most promising nanostructured materials for the development of new nanoscopic electronic devices. Due to its high surface area to volume ratio, this material stands out as a candidate for possible gas sensoring applications. In this thesis, we have studied, by means of computational simulations, the possibility of using carbon nanotubes containing nitrogen defects (the so-called CNx nanotubes) as gas sensors. In the first part, we have performed electronic structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) of several systems to address the possible binding of different molecules to the nanotube surface. Our results indicate that, among the molecules which were investigated, carbon monoxide and ammonia adsorb more easily to the nanotube surface. In the second part of this thesis, we have performed calculations of the transport properties by means of non-equilibrium Green\'s function formalism (NEGF). The results have shown that the nitrogen-defect carbon nanotubes could be used to detect, mainly carbon monoxide and ammonia molecules. On the other hand, when dealing with the selectivity of this system, it seems to be not possible to distinguish these gases, in the case of inserting the system in a environment containing a mixture of these molecules. Finally, we have simulated carbon nanotubes with defects randomly distributed along its length, in order to take into account disordering factors usually found in more realistic nanosensors.

Utilizou-se um Hamiltoniano KP (6x6) do tipo Kane para, se estudar a estrutura de bandas e níveis de Landau para heteroestruturas de semicondutores zincblende dos grupos III-V e II-VI. Os efeitos do acoplamento entre as bandas de condução e valência, da mistura dos estados da banda de valência, da não-parabolicidade dos níveis, da total degenerescência dos níveis, do warping e das descontinuidades das massas efetivas nas heterointerfaces são levados em conta. Mostrou-se que a interação entre as bandas de condução e valência não pode ser desprezada, mesmo para semicondutores de gap largo, como citado em trabalhos existentes na literatura. Para um estudo sistemático do modelo, utilizou-se um poço quântico de GaAs Ga(Al)As e então aplicou-se o modelo a um sistema de semicondutores semi-magnéticos (poço quântico de CdTe Cd(Mn)Te). / A Kane-like (6x6) KP Hamiltonian is used to study the subband structure and Landau levels for group III-V and group II-VI zincblende semiconductor heterostructures. The effects of conduction-valence band coupling, valence band states mixing, nonparabolicity of the levels, the full degeneracy of the levels, warping and effective masses discontinuities at the heterointerfaces are taken into account. It is shown that the interaction between conduction-valence bands cannot be neglected, even so the semicondutctor have wide gap, as claimed in previous work in the literature. GaAs-Ga(Al)As quantum well was used as a model for a systematic study of the effects of each effective KP parameters. Then, it was applied to the study the subband structure of semi-magnetic semiconductor system (a quantum well of CdTe-Cd(Mn)Te.