Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l'amélioration de la description, par des méthodes théoriques de type DFT, des systèmes de type M2Ln (avec M = Ti, Co, Pd et L = CO, N2, O2) où les états de bas spin sont de caractère multiréférence et doivent être décrits de façon approchée mais satisfaisante. Ceci n'a été possible qu'avec une utilisation intensive et systématisée (quoique difficilement automatisable !) de la méthode " Unrestricted DFT Broken Symmetry " et en s'appuyant sur les informations fournies par les études expérimentales menées en parallèle au sein du laboratoire, concernant les structures et les propriétés spectroscopiques. On peut dire que la description de la structure moléculaire de ces systèmes complexes se trouve proche de la limite actuelle des capacités de la chimie quantique, mais représente un défi motivant. En effet, si nous avons souvent été confrontés à des cas de surfaces de potentiel complexes, présentant des minima multiples, séparés par des barrières énergétiques faibles, au point d'être qualifiables de protéiformes, ces systèmes possèdent une photophysique et/ou une photochimie intéressante car parfois très sélectives sous les " effets de matrices " qui peuvent laisser prévoir des réactivités spécifiques en fonction de la nature du support

La lutte aux explosifs improvisés (IEDs) est l’un des plus grands défis auxquels les armées modernes doivent faire face. Il existe un vaste éventail de méthodes permettant de détecter et de neutraliser les IEDs, incluant des méthodes plus classiques comme la résonnance magnétique nucléaire, la spectroscopie infrarouge et la diffraction des rayons X, ainsi que des approches moins orthodoxes, comme des chiens renifleurs. Une des techniques les plus prometteuses combine l’utilisation de l’induction électromagnétique, une approche permettant la détection de métaux dans le sol, et le radar à pénétration de sol qui mesure la constante diélectrique des différentes composantes du sol[6]. La détermination de la constante diélectrique d’une variété d’explosifs revêt donc un intérêt particulier pour la lutte contre les IEDs. Ce projet vise à développer une méthode efficace pour calculer de manière théorique les constantes diélectriques d’une variété de matériaux énergétiques en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Un autre aspect du projet vise à prédire les changements dans la maille cristalline des explosifs en fonction de variation de température et de pression et de comparer les valeurs obtenues avec les valeurs expérimentales. Pour ce faire, la technique de dynamique moléculaire a été utilisée. Cela permet de tenir compte de la dépendance de la constante diélectrique envers la densité du matériau, qui elle varie avec un changement de température ou de pression. / The fight against Improvised Explosive Devices (IEDs) is one of the greatest challenges facing modern armies. A wide range of methods have been developed over the last years in order to detect and neutralize IEDs, from classic detection methods, nuclear magnetic resonance (NMR), infrared spectroscopy (IR) and X-ray diffraction, to less orthodox methods using the impressive olfactory capacity of dogs, or even rats. One of the most promising techniques combines the use of electromagnetic induction, a technique used to detect the presence of metals in the soil, and Ground Penetrating Radars (GPR), which measure the dielectric constant of constituents present in the ground. Determination of the dielectric constant of various energetic materials (EMs) is therefore of interest in the fight against IEDs. This project aims at developing an effective method to predict dielectric constants of various EMs by theroretical calculations, using the Density Functional Theory (DFT) and establishing a correlation to their crystalline structure. Another aspect of this research focuses on predicting changes in crystal lattice parameters with temperature and pressure using Molecular Dynamics (MD), and comparing the predictions to values experimentally determined.

L'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour étudier les propriétés électroniques de nanograins de silicium incorporés dans une matrice de silice SiO2 dopée ou non avec de l'erbium. D'abord, nous nous sommes intéressés au matériau constitué de nanograins de silicium immergés dans différentes formes cristallines de SiO2. Nous avons construit plusieurs modèles (supercellules cubiques de taille différentes contenant un grain de silicium dont la taille est également variable). Nous avons ainsi étudié l'influence de plusieurs paramètres sur les propriétés électroniques: la taille des nanograins, les défauts à l'interface, la densité de nanograins par unité de volume de matériau et la phase cristalline de la matrice. Enfin, à partir des structures de nanograins obtenues précédemment, nous avons ajouté un atome erbium par supercellule. Nous avons exploré la stabilité de différentes positions de la terre rare ainsi que les propriétés électroniques du matériau afin d'envisager un mécanisme possible de transfert d'énergie entre un nanograin de silicium et un ion erbium.

La découverte de nouveaux composés cristallins par simulation numérique est un défi majeur en Science des Matériaux. Aussi, trois familles sont à l'étude : les composés constitués de lithium et de dioxyde de carbone ; les phases nitrures MxNy avec M = Mg, Ba, Mo et Zr ; les systèmes GaPO4 et SiS2. Les structures cristallographiques sont déterminées in silico à l'aide de l'algorithme évolutionnaire USPEX couplé à des calculs DFT (VASP). L'étude du polymorphisme en fonction de la pression est conduite tandis que l'analyse des propriétés structurales et électroniques constitue le cœur de cette thèse. Nos travaux mettent clairement en évidence l'effet de la pression dans l'émergence de stoichiométries inhabituelles telles que Li2(CO2), MgN4, et BaN10. Certains de ces matériaux hypothétiques restent stables à pression atmosphérique. Il est montré que l'ajout d'un élément du bloc s autorise la « polymérisation » des molécules insaturées CO2 et N2 à des pressions plus basses. Ainsi, l'oxalate C2O42- polymérise en chaine infinie poly-dioxane à 33 GPa dans LiCO2 ; la nouvelle composition Li2CO2 présente des motifs de type éthène (-O)2C=C(O-)2 ; des chaînons N2, N3 et N4, des anions pentazolates N5- et des cycles N6 sont identifiés dans les phases AexNy, ainsi que des chaines covalentes infinies (1D) stabilisés par les cations alcalino-terreux Ae ; le composé Ba3N2 est un électride conducteur à pression ambiante et un isolant au-dessus de 5 GPa ; la structure stable de MoN2 a des entités N2 encapsulées, et non l'arrangement en feuillet de type MoS2 proposé par des expérimentateurs ; nos prédictions couplées aux données DRX permettent l'élucidation de la structure de GaPO4 à 20 GPa. / The discovery of novel crystalline compounds by numerical simulation is a major challenge in Materials Science. Also, three families are being studied: compounds consisting of lithium and carbon dioxide; the MxNy nitride phases with M = Mg, Ba, Mo and Zr; the GaPO4 and SiS2 systems. The crystallographic structures are determined in silico using the evolutionary algorithm USPEX coupled with DFT calculations (VASP). The study of polymorphism as a function of pressure is carried out whereas the analysis of structural and electronic properties constitutes the heart of this thesis. Our work clearly presents the effect of pressure on the emergence of unexpected stoichiometries, such as Li2(CO2), MgN4, and BaN10. Some of these hypothetical materials remain stable at atmospheric pressure. It's shown that the addition of the s-block element allows the "polymerization" of the unsaturated molecules CO2 and N2 to be carried out at lower pressures. Thus, oxalate C2O42- polymerizes in an infinite poly-dioxane chain in LiCO2 at 33 GPa; the new Li2CO2 composition presents the ethene like (-O)2C=C(O-)2 motif; N2, N3 and N4 finite chains, N5-pentazolate anions, and N6 rings are identified in the AexNy phases, as well as, infinite covalent (1D) chains stabilized by the alkaline earth cations (Ae); the Ba3N2 compound is a conductive electride at ambient pressure and an insulator above 5 GPa; the ground stable structure of MoN2 has encapsulated N2 units, and is not the MoS2 type arrangement proposed by experimentalists; our predictions coupled with the XRD data allow the elucidation of the GaPO4 structure at 20 GPa.

Dans ce travail nous avons étudié des réactions chimiques sur la surface de deux métaux :le platine et l'or, en utilisant la microscopie ionique à effet de champ électrique (FIM) et la spectrométrie de masse de désorption par champ pulsé (PFDMS). En complément de ces données expérimentales, nous apportons des résultats obtenus par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La taille et la morphologie de nos échantillons font qu’ils sont de bons modèles de grains de phase active dans un catalyseur réel.<p>\ / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished