Mon activité de recherche fondamentale dans le groupe de théorie du Laboratoire des Solides Irradiés concerne l'étude des propriétés des matériaux d'intérêt pour le CEA, dans les domaines du nucléaire ou de la nanoélectronique. Elle a pour objectif d'atteindre une description théorique -sans paramètre ajustable- des processus contrôlant l'excitation électronique, ainsi que la relaxation -ou désexcitation- électronique, et couvre: - Les propriétés de la matière hors excitation - l'état fondamental; - Les propriétés de l'état excité, abordées sous l'angle de la spectroscopie pour les électrons de valence; - Les vibrations collectives des atomes, leur couplage avec les électrons, et leurs effets sur le transport électronique ou la relaxation électronique. Ces études requièrent un environnement de calcul intensif et l'accès aux ordinateurs du Grand Equipement National de Calcul Intensif GENCI. Dans ce manuscrit, est d'abord rappelé comment calculer la fonction diélectrique inverse en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps, et quel est le lien avec la fonction de perte électronique observée. Des résultats théoriques sur la fonction diélectrique inverse dans des oxydes non corrélés représentés par le dioxyde de titane TiO$_2$ et la zircone ZrO$_2$ sont décrits. Ensuite sont donnés les principaux résultats théoriques pour les calculs de spectres d'absorption optique pour l'oxyde de cuivre Cu$_2$O et la zircone ZrO$_2$. J'y présente une nouvelle interprétation de travail sur le noyau permettant de modéliser les effets excitoniques en théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps. Enfin, les derniers calculs menés sur les carbures de bore sont rappelés.

Parmi les radionucléides présents dans les stockages de déchets nucléaires de haute activité et à vie longue en couche géologique profonde, le 79Se a été mis en évidence comme pouvant poser un problème de sûreté. Le 79Se pourrait cependant être immobilisé par la sidérite (FeCO3) présente dans l'environnement proche du colis de déchets. Ce travail est une étude de la réaction chimique se produisant entre les oxyanions du sélénium (sélénite et sélénate) et la sidérite. Dans ce but, une double approche expérimentale (chimie des solutions, Spectroscopie d'Absorption des rayons X, XAS) et théorique (modélisation ab initio dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, DFT) a été mise en œuvre. Des expériences en boîte à gants réductrice (5 % H2) de rétention des ions sélénite (SeIVO32-) et sélénate (SeVIO42-) (! 10-3 M) par des suspensions de sidérite (75 g/L) à pH neutre montrent que les ions sélénite sont quantitativement immobilisés par la sidérite en 48 h de réaction, contrairement aux ions sélénate qui ne sont que partiellement immobilisés après 10 jours de réaction. Dans le cas du sélénite, la XAS montre que le sélénium immobilisé est initialement présent sous forme de Se(IV) vraisemblablement adsorbé sur la surface de la sidérite. Après 10 jours de réaction, les ions sélénite sont quantitativement réduits sous forme de sélénium élémentaire trigonal relativement désorganisé. Les cinétiques de rétention et de réduction des ions sélénite par la sidérite sont donc distinctes. Sur la période de temps des expériences, les ions sélénate immobilisés par la sidérite ne semblent pas être réduits par la sidérite. Afin de mieux comprendre le mécanisme de réduction des ions sélénite, nous avons étudié les propriétés du solide et d'une surface parfaite de sidérite en DFT. Nous avons notamment proposé que, dans ce cadre théorique, une description correcte des électrons de valence de la sidérite ne peut être obtenue qu'à condition d'admettre que la symétrie de la densité électronique de l'état fondamental est incompatible avec la symétrie cristallographique expérimentale. Nous montrons par la suite que la modélisation de la rétention de molécules simples comme O2 et H2O sur la surface parfaite (10-14) de sidérite et de magnésite (MgCO3 ; plan de clivage parfait et d'énergie minimale d'après la DFT) est en bon accord avec les données de la littérature. Enfin, nous étudions la formation de complexes de surface du sélénite sur la magnésite avec et sans prise en compte de l'hydratation. L'ensemble de ces résultats confirme que le sélénium relâché sous forme de sélénite devrait être immobilisé de manière quantitative par la sidérite, et ne devrait pas contribuer au débit de dose à l'exutoire. Ce n'est pas le cas du sélénate, qui n'est que peu immobilisé et pas réduit par la sidérite.

L'adsorption de CO dans la faujasite échangée au CuI et au Na+ a été modélisée à l'aide des approches quantiques (DFT) et classiques (Monte Carlo). Grâce à l'approche DFT, la surface d'énergie potentielle de la faujasite a été explorée. Différents types d'interactions de CO avec les cations ont été identifiés, pour chacune les effets induits par l'adsorption de CO aux niveaux structural et énergétique ont été analysés, et le calcul de la fréquence de vibration de CO a été réalisé. Grâce aux valeurs obtenues, une nouvelle attribution des spectres d'adsorption de CO dans CuY et NaY a été établie. D'un autre côté, grâce aux simulations Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique, les propriétés d'adsorption (isothermes et enthalpies) de la faujasite vis-à-vis de CO ont été modélisées, et le mécanisme microscopique d'adsorption de CO a été établi. La mise en œuvre de ces simulations a nécessité de paramétrer un nouveau champ de force destiné à décrire les interactions CO/faujasite et CO/CO. / CO adsorption in CuI and Na+ exchanged faujasite has been modeled by mean of quantum (DFT) and classical (Monte Carlo) approaches. By mean of the DFT calculations, faujasite potential energy surface has been explored. Different types of CO interactions with the cations have been highlighted, for each one of them CO adsorption effects on the structural and energetic parameters have been analyzed, and calculations of the CO stretching frequency have been performed. Thanks to our calculated values, a new attribution of CO adsorption spectra in CuY and NaY has been established. On another side, by mean of Monte Carlo simulations in the Grand Canonical ensemble, faujasite adsorption properties regarding CO (isotherms and enthalpies) have been modeled, and the CO adsorption mechanism has been established at the microscopic level. The implementation of these simulations has required the derivation of a new force field describing the CO/faujasite and CO/CO interactions.

Cette thèse présente une série d'études qui visent la compréhension de la structure électronique de complexes de métaux de transition en employant diverses méthodes de spectroscopie. L'information sur la structure électronique aide à comprendre et développer des nouveaux matériaux, des nouvelles voies de synthèses, ainsi que des nouveaux modèles théoriques. Habituellement, afin d'explorer la structure électronique d'un système qui comporte en son centre un métal de transition, l'information fournie par les spectres d'un seul composé n'est pas suffisante. On étudie une série de composés similaires, qui ont le même métal de transition à un degré d'oxydation donné, ainsi que des ligands qui forment des liaisons de différentes forces et caractéristiques avec le métal. Cependant, ces changements, bien qu'on les désire de faible impact, créent une grande perturbation de la structure électronique visée par les études. Afin d'étudier en profondeur une seule structure électronique, nous employons une stratégie d'analyse moins perturbante. Nous appliquons une pression hydrostatique sur les complexes de métaux de transition. Cette pression perturbe le système suffisamment pour nous livrer davantage d'informations sur la structure électronique, sans la « dénaturer ». Afin d'étudier précisément ces systèmes perturbés, la technique d'application de pression est conjuguée, dans la littérature, aux diverses techniques de spectroscopie d'absorption UV-visible, de luminescence, ainsi que de diffusion Raman. Pour extraire un maximum d'informations de ces expériences, on emploie des techniques de calculs de structure électronique ainsi que de dynamique des noyaux. Dans cette thèse, on tente de mettre en lumière la structure électronique de composés de molybdène(IV), de platine(II) et palladium(II) à l'aide de la technique de pression couplée aux spectroscopies de luminescence et de diffusion Raman. Dans le chapitre 3, on observe un déplacement de la bande de luminescence de +12 cm-1/kbar entre la pression ambiante et 25 kbar pour le complexe trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4, dont le centre métallique molybdène(IV)est de configuration électronique 4d2. Il s'agit de la première variation positive observée pour un complexe de type métal-oxo. À des pressions plus élevées, la tendance s'inverse. Le maximum d'énergie de la bande de luminescence se déplace de -8 cm-1/kbar. Ce changement de variation présage d'une compétition interne entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. À l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, on propose un mécanisme pour expliquer ce phénomène. Au cours du chapitre 4, on étudie des complexes de palladium(II) et de platine(II) qui ont les mêmes ligands. Un de ces ligands est le 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). On constate qu'à basse pression le ligand est bidentate. Par contre, lorsque la pression augmente, on constate, par exemple à l'aide du complexe [Pt(ttcn)Cl2], qu'une interaction anti-liante supplémentaire se produit entre le ligand ttcn et le métal, ce qui change la nature de l'orbitale HOMO. On observe un déplacement de la bande de luminescence de -19 cm-1/kbar. Tel que pour le complexe de molybdène(IV), le déplacement de la bande de luminescence dépend de la compétition entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. L'interaction liante entre l'ion platine(II) et l'atome de soufre axial est l'effet le plus plausible qui peut induire un déplacement de la bande de luminescence vers les basses énergies. Ceci nous indique que cette interaction domine. Par contre, pour ce qui est du complexe palladium(II), la compétition est remportée par d'autres effets, car le déplacement de la bande de luminescence est de +6 cm-1/kbar. Encore une fois, des calculs, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, aident à explorer les causes de ces observations en suggérant des explications corroborées simultanément par les diverses expériences de spectroscopie. Lors du chapitre 5, une étude plus exacte de la structure électronique ainsi que de la dynamique des noyaux de complexes de métaux de transition est présentée. En effet, les complexes de palladium(II) et de platine(II), de type [M(X)4]2-, ont une structure simple, très symétrique. Le premier état excité de ces molécules subit la distorsion Jahn-Teller. On veut établir un protocole de travail pour les expérimentateurs afin d'analyser des spectres de molécules pour lesquelles l'approximation de Born-Oppenheimer n'est pas valide. On utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps ainsi que le modèle de Heidelberg afin de décrire des effets non adiabatique. On tente d'établir l'influence des effets non adiabatiques sur les spectres de ce type de complexe. / The main goal of this thesis is to study the electronic structure of different transition metal complexes using spectroscopic methods. The detailed knowledge of the electronic structure helps to understand and develop new materials, new synthesis methods as well as new theoretical models. Usually, the information gathered from spectra of a single compound is not sufficient to identify the most important influences determining its electronic structure. Historically, in order to collect more information on transition complexes, series of similar compounds with the same metal center and oxidation state and varying ligands have been explored. This approach allows some trends that are directly related to the electronic structure of the metal center to be identified. The changes induced on the electronic structure by the ligand modifications are often larger than desired. We want to study continuous variations of the electronic structure specific to one compound with an experimental method that only slightly perturbs the structure. Hydrostatic pressure, as reported in the literature, modifies the electronic structure sufficiently to change UV-visible absorption, luminescence and Raman spectra. The changes are revealing electronic information on the compound. In order to analyze these experiments, we are using electronic structure and nuclear dynamics calculations. In this thesis, we explore the electronic structure of molybdenum(IV), platinum(II) and palladium(II) complexes. In chapter 3, we observe a +12 cm-1/kbar shift of the luminescence band from trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4 between ambient pressure and 25 kbar. The molybdenum(IV) metal ion in this complex has a 4d2 electronic configuration. It is the first time that a positive pressure-induced shift of the d-d luminescence maximum is recorded for a metal-oxo complex. On the same system, at higher pressure, the sign of the shift changes. This behavior is due to the competition between the different ligands of this six-coordinate compound. Density functional calculations are used to rationalize this phenomenon. In chapter 4, we study palladium(II) and platinum(II) complexes having the same ligands. The most important ligand for these complexes is 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). At low pressure, this ligand is bidentate. At high pressure, an additional antibonding interaction between the metal and the axial ttcn sulfur atom in the [Pt(ttcn)Cl2] complex modifies the nature of the HOMO orbital. This is illustrated by the measured red shift of the luminescence band maximum of -19 cm-1/kbar. As in the molybdenum(IV) complex, the shift illustrates the competition in the electronic structure between all ligands. The platinum(II)-sulfur axial interaction is the most plausible cause of the red shift. On the other hand, the corresponding palladium(II) complex exhibits a blue shift of +6 cm-1/kbar. In this case, the axial interaction does not appear to dominate the other interactions. Again electronic structure calculations help to establishing a model that explains the observations from diff erent spectroscopic experiments. Chapter 5 presents a more detailed study of the electronic structure and the nuclear dynamics of palladium(II) and platinum(II) complexes having a simpler structure than the compounds in the previous chapters. The first excited electronic state of these compounds exhibits a Jahn-Teller distortion. We desire to establish a workflow for experimentalists to allow them to analyze spectra in which the Born-Oppenheimer approximation is not valid. Time-dependent density functional theory is combined with the Heidelberg model for nuclear dynamics in order to study the non-adiabatic effects. Our goal is to advance our knowledge of such effects on transition metal complexes.

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique) / La dépendance en température des spectres optiques des semi-conducteurs est discutée en fonction de la variation des énergies propres électroniques induite par l’interaction électron-phonon. Une démonstration formelle de la théorie de Allen-Heine-Cardona (AHC), la plus populaire dans le domaine, est présentée. Cette théorie est basée sur la théorie des perturbations et les approximations adiabatique, harmonique et des ions rigides. Une revue complète des applications semi-empiriques de cette théorie est aussi incluse dans ce document. Un nouveau formalisme ab initio basé sur la théorie des perturbations de la fonctionnelle de la densité (DFPT) est développé dans cette thèse. Ce formalisme est implémenté dans la distribution ABINIT. Dans cette nouvelle formulation, les fonctions d’onde de premier ordre sont déterminées grâce au principe variationnel et ne sont donc pas construites à partir des fonctions d’onde non perturbées, comme c’est le cas pour la théorie AHC. La théorie AHC présente une convergence lente sur le nombre d’états intermédiaires inclus dans la simulation : il faut inclure 2000 états pour un traitement adéquat de la molécule de H2 et 400 états pour le silicium. Le formalisme DFPT, quant à lui, ne nécessite que l’inclusion des états étudiés, ce qui mène à une diminution du temps de calcul par un facteur 20. Pour les molécules diatomiques,les résultats obtenus reproduisent ceux provenant de la méthode des différences finies. Pour le silicium, les résultats des études semi-empiriques antérieures sont retrouvés. Par contre, dans le cas du diamant, les résultats sont grandement sous-estimés. Ceci semble provenir de l’utilisation de la LDA. La méthode des différences finies utilisée dans le cas des molécules diatomiques a permis l’évaluation directe de la validité de l’approximation des ions rigides en évaluant le terme de Debye-Waller non diagonal (NDDW). Le terme NDDWcontribue entre 11 % pour la molécule de CO et 60 % pour la molécule de LiF ce qui signifie que l’approximation des ions rigide n’est pas valide. Cette approximation est donc perçue comme étant la cause du mauvais accord entre les observations expérimentales et les simulations théoriques pour les semi-conducteurs cristallins. / The thermal corrections to the optical spectra of semiconductors are discussed interms of the variation of the single electron eigenenergies and the electron-phonon coupling. A formal derivation of the leading Allen-Heine-Cardona theory is presented. This theory is based on standard perturbation theory within the adiabatic, the harmonic and rigid-ion approximations. A full review of the successful application of this theory in the semi-empirical literature is also included. A new ab initio formalism based on DFPT is developed and implemented in the ABINIT package. In this new formulation of the theory of the electron-phonon coupling, the first-order wave functions are determined by a variational principle and are thus not constructed using the unperturbed wave functions. This is in contrast to the Allen- Heine-Cardona theory in which a slow convergence on the number of included states his observed : one must include 2000 states for the correct treatment of H2 and 400 states for silicon. Using the DFPT formalism with only 10 bands yields a decrease in calculation times by a factor of 20. This new implementation of the DFPT formalism was tested using the cases studies of diatomic molecules, silicon and diamond. The results obtained for the diatomic molecules reproduce finite difference calculations up to the numerical error present in the finite difference approach. The procedure reproduces the result of previous semi-empirical studies for silicon but underestimates drastically the electron-phonon coupling in diamond. This is shown to originate from the LDA. Finally, the finite difference method used in the diatomic molecules permitted the direct evaluation of the validity of the rigid-ion approximation by evaluating the non-site-diagonal Debye-Waller term. It was found that this term partially cancels the sum of the site-diagonal Debye-Waller and Fan term. It contributes from 11 % of this sum for CO to 60 % for LiF and is by no means negligible in any system considered. The mismatch between experimental observations and theoretical simulations in crystalline semiconductors is thus believed to originate from this approximation.

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés. / This thesis focuses on the role of density functional theory in the design of polymers for photovoltaic applications. Theoretical calculations are first studied in the characterization of polymers in the context of collaborations between theory and experiment. The stability and the energy levels of some organic molecules are studied before and after a sulfurization of their carbonyl groups, a process destined to lower the band gaps. The dynamics of the electronic processes and the Raman vibration spectra are also explored in a polycarbazole-based polymer. From then, the usefulness of theoretical calculations in the design of polymers before their syntheses is explored. Density functional theory calculations are studied under the Scharber model in order to predict the efficiency of organic solar cells. Then, a new approach for the design of low band gap polymer based on the aromatic or quinoid structures is established, whose efficiency surpasses the actual donor-acceptor approach. These studies are used in the exploration of the chemical space and several candidate for polymers with interesting electronic properties are presented.

La miniaturisation des composants CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) impose l’emploi de matériaux diélectriques de permittivité élevée. LaAlO3 et SrTiO3 sont aujourd’hui parmi les meilleurs candidats ; toutefois, la diffusion de l’oxygène dans ces matériaux conduit à la dégradation des propriétés électriques et de l’interface avec le silicium. Ce travail théorique a pour but d’étudier les facteurs gouvernant, à l’échelle de la liaison chimique, la diffusion de l’ion oxygène. L’approche choisie repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), couplée à des méthodes d’analyse de la densité électronique, et sur le développement d’un outil original : les cartes de densité d’énergie. Les régions de la densité électronique contribuant à la barrière de diffusion ont ainsi pu être identifiées; une optimisation de ces matériaux à l’échelle de la liaison chimique peut alors être envisagée. / The miniaturization of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) components requires the use of high dielectric permittivity materials as gate oxide. LaAlO3 and SrTiO3 are among the best candidates, but the oxygen diffusion in these materials leads to the degradation of both the electrical properties and the interface with silicon. In this context, the aim of this theoretical work is to study the factors governing the oxygen ion diffusion at the chemical bonding scale. This approach is based on Density Functional Theory (DFT), coupled with electron density analysis methods, and the pioneering development of energy density cards. The regions of the electron density contributing to the diffusion barrier have been identified allowing new routes of optimization of these materials across the chemical bonding.

Le but principal de cette étude était la recherche de structures optimales de charbons activés capables d"atteindre l'objectif de stockage d'hydrogène fixé par le département de l"énergie américain (DOE) pour les applications mobiles en utilisant l"adsorption physique à la température ambiante et aux pressions en-dessous de120 bars. L'hydrogène est destiné à être stocké dans une cuve rempliée d"adsorbants et doit être utilisé dans les véhicules alimentés principalement par des piles à combustible. Les adsorbants à base de carbone connus ont une capacité de stockage faible. Par conséquent, dans ce travail, j'ai défini les paramètres responsables de l'insuffisance de capacité de stockage de ces matériaux. Une attention particulière a été accordée à la géométrie locale des pores des adsorbants. J'ai étudié la structure locale des pores des adsorbants à base de carbone et je présente le principe de la conception d"architectures tridimensionnelles de nouvelles structures de carbone ainsi que la capacité d'adsorption de l'hydrogène par ces structures, lesquelles constituent une classe prometteuse de matériaux pour le stockage d'hydrogène et qui n'ont pas été étudiées jusqu'ici. Hormis la maximisation de la densité de l'hydrogène absorbée par cette famille de structures, mon but était de caractériser l'adsorption dans cette nouvelle catégorie d'adsorbants. Cela permet d"apporter des informations quant à la méthodologie à utiliser pour ajuster les propriétés physiques de ces matériaux afin d'optimiser leurs propriétés de stockage. Les résultats obtenus semblent montrer que cet objectif est atteint et confirment que mon approche constitue une bonne base pour de futures recherches. / The main goal of research presented in this thesis has been a search for optimal carbon-based porous structure capable to achieve the hydrogen storage capacity defined by US Department of Energy (DOE) for mobile applications at room temperature by adsorption at medium-level pressures below 120 bars. The hydrogen is assumed to be stored in a tank filled with adsorbents to be used in transport application, mainly fuel-cell driven vehicles. The known carbon-based adsorbents have low storage capacity. Therefore in this work, I have defined the basic parameters which are responsible for the capacity deficiency of such materials. Special attention has been paid to local pore geometry of adsorbents. I have investigated the pore local structure of carbon-based adsorbents and I present the basis of design and hydrogen adsorption capacity in three-dimensional architecture of new carbon frameworks, a promising class of potential hydrogen storage materials that have not been studied so far. Apart from maximizing the density of hydrogen taken up by this family of structures, I have aimed at characterization of this new category of adsorbents. This is hoped to lead to a guidance how their physical properties can be designed, or `tuned', to optimize their storage properties, and the obtained results seem to achieve this aim and thus provide a good basis for future research.

La Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) combinée avec le formalisme de la Symétrie Brisée (BS) est aujourd'hui très utilisée dans le domaine du magnétisme moléculaire pour le calcul des constantes d'échange magnétique. Dans le but d'améliorer la compréhension des contributions qui participe à l'interaction d'échange caractérisant les systèmes magnétiques, nous avons mené une étude théorique systématique basée sur l'étude de deux types de modèles. Ces complexes binucléaires de cuivre(II) reliés par divers groupements pontant de type hydroxo, azoture, et chloro, ainsi que des bis-nitroxydes modèles constitués de deux groupements nitroxydes reliés par un système conjugué sont caractérisés par des couplages ferro- et anti-ferromagnétiques variés. Nous avons développé une approche théorique basée sur l'utilisation d'orbitales gelées permettant d'étudier la décomposition de l'interaction d'échange magnétique en différentes contributions telles que l'échange direct, l'échange cinétique et le mécanisme de polarisation de spin. Dans un second temps, nous avons étendu ce travail de rationalisation aux effets de solvant à l'aide de modèles implicites ou explicites. Grâce à une analyse basée sur l'approche de Hoffmann, nous avons pu déterminer les paramètres caractérisant dans les mécanismes d'échange direct et d'échange cinétique. / Density Functional Theory (DFT) combined with the Broken Symmetry (BS) method is today widely used in the field of molecular magnetism for the computation of magnetic exchange coupling constants. In order to improve the understanding of the contributions involved in the exchange phenomena characterizing some magnetic systems, we propose a study based on two types of models. Copper(II) binuclear complexes connected with various bridging groups like hydroxo, azide, and chlorine, as well as small bis-nitroxide composed of two nitroxide moieties linked by a conjugated system show various ferro- and anti-ferromagnetic couplings. We have developed a theoretical approach based on the use of frozen orbitals to decompose the magnetic exchange interaction in different contributions such as the direct exchange, the kinetic exchange and mechanism of spin polarization. In a second part, we have extended this work to rationalize the solvent effects using implicit or explicit models. Through an analysis based on the Hoffmann's approach, we have determined some parameters characterizing the mechanisms of direct exchange and kinetic exchange.

Matériaux dans lesquels les électrons responsables des propriétés de basse énergie son soumis à fortes corrélations sont aujourd'hui très étudiés à la recherche de nouvelles phases émergentes aux propriétés surprenantes et/ou utiles.Les supraconducteurs à base de fer (IBSC) sont maintenant considérés dans cette classe de composés. En utilissant des techniques multi-corps nécessaires pour le traitement théorique de ces corrélations (théorie du champ moyen de spin esclave - SSMFT et théorie du champ moyen dynamique - DMFT - en conjonction avec la théorie du fonctionnelle de la densité, DFT), dans cette thèse, j'etudie plusieurs propriétés d'IBSC.D’abord, j'analyse les composés très dopés de la famille de IBSC, qui montrent expérimentalement certains comportements typiques des ``fermions lourds'', des composés typiquement des terres rares ou des actinides, où des électrons extrêmement corrélés coexistent avec des électrons moins corrélés. En particulier je me concentre sur la chaleur spécifique et le pouvoir thermoélectrique et je montre comment ces propriétés peuvent être comprises dans le paradigme récemment développé ``métaux de Hund''. En effet, l’échange intra-atomique (le ``couplage de Hund'') est responsable de ces matériaux à éléments métal de transition en montrant la physique des fermions lourds. Je montre aussi que les caractéristiques typiquement fermions-lourds du spectre d’excitation, connues car les singularités de Van Hove sont bien capturées par notre modélisation au sein de DFT+SSMFT. J'utilise ensuite DMFT dans un modèle afin d'étudier l'impact direct des singularités de Van Hove sur la force des corrélations.Dans une seconde partie, je montre comment FeSe, le IBSC actuellement le plus étudié, se trouve également dans une phase métal de Hund, mais il est amené à la frontière de cette phase par la pression. Cette frontière est liée à une augmentation de la compressibilité électronique qui est positivement corrélée à l’augmentation de la supraconductivité trouvée dans les expériences.Je réalise une étude analogue sur le détenteur du record pour la température supraconductrice critique la plus élevée, la monocouche FeSe où je trouve également une compressibilité augmentée. Cela appuie la récente proposition selon laquelle la frontière du métal de Hund favorise la supraconductivité à haute température.Enfin, j'étudie la nature du magnétisme dans une autre famille de IBSC, les germanides de fer. J'explore différents ordres magnétiques possibles avec des simulations DFT et leur concurrence (ce qui peut en principe favoriser la supraconductivité) dans plusieurs composés où différents substitutions sont appliquées au composé parent YFe2Ge2. J'étudie également l'effet de la pression chimique sur ce composé. / Materials where the electrons responsible for the low-energy properties experience strong correlations are today very investigated in search of emerging new phases with surprising and/or useful properties. Iron-based superconductors (IBSC) are now considered in this class of compounds. Using the many-body techniques necessary for the theoretical treatment of these correlations (slave-spin mean field theory - SSMFT- and dynamical mean field theory - DMFT- in conjunction with density functional theory, DFT), in this thesis I address several properties of IBSC.First I analyze the very hole-doped compounds in the IBSC family, that show experimentally some behaviors typical of the so-called “heavy fermions”, compounds typically of rare earth or actinides, where extremely correlated electrons coexist with others less correlated. In particular I focus on the specific heat and the thermoelectric power and show how these properties can be understood in the recently developed paradigm of “Hund’s metals”. Indeed the intra-atomic exchange (the “Hund’s coupling”) is responsible for these materials of transition metal elements showing heavy-fermionic physics. I show also that typical heavy-fermionic features of the excitation spectrum, known as Van Hove singularities are well captured by our modelization within DFT+SSMFT. I then use DMFT in a model in order to study the direct impact of the Van Hove singularities on the strength of correlations.In a second part I show how FeSe, the presently most studied IBSC, is also in a Hund’s metal phase, but it is brought to the frontier of this phase by pressure. This frontier is connected to an enhancement of the electronic compressibility which correlates positively then with the enhancement of superconductivity found in experiments. I perform an analogous study on the record holder for the highest critical superconducting temperature, the monolayer FeSe where I also find an enhanced compressibility. This supports the recent proposal that the frontier of a Hund's metal favors high-temperature superconductivity.Finally I study the nature of magnetism in another family of IBSC, the iron-germanides. I explore different possible magnetic orders with DFT simulations and study their competition (which can in principle favor superconductivity) in several compounds where different chemical substitutions are applied to the parent compound YFe2Ge2. I also study the effect of chemical pressure on this compound.